Das Nördlinger Ries: Spannend seit 15 Mio. Jahren!

25 Kilometer Durchmesser, 15 Mio. Jahre alt und ein Projektil von mindestens einem Kilometer Durchmesser, das die Erde mit mehr als 70.000 km/h getroffen hat. Beeindruckende Zahlen, die das Nördlinger Ries charakterisieren! Und dennoch, wenn wir uns auf dem Mond oder anderen Planeten umschauen, ist ein Krater dieser Größe nichts Besonderes – es gibt sicher Tausende davon. Warum ist also der Rieskrater auch heute noch für die Wissenschaft von Bedeutung? Und warum ist er speziell in der Planetologie von enormer Wichtigkeit? Diese Fragen sollen im Folgenden zumindest angerissen werden. Dabei zeigt sich, wie eng der Rieskrater mit dem Mond verwandt ist!

Der Rieskrater ist einer von ca. 200 bekannten Impaktkratern auf der Erde. Diese geringe Zahl an Kratern ist bereits erstaunlich und bedarf einer Erklärung. Auf dem Mond, der gerade einmal 384.000 km von der Erde entfernt ist, sehen wir speziell in den hellen Hochländern eine enorm hohe Anzahl von Kratern aller Größen, die sich teilweise sogar überlagern und sich somit über lange Zeiträume gebildet haben. Die dunklen Maregebiete sind deutlich weniger mit Kratern bedeckt, aber immer noch um ein Vielfaches mehr als die Erde. Betrachtet man den Mond aufgrund seiner geringen Distanz als Teil des Erde-Mondsystems, sollte die Erde eigentlich mit einer ähnlich hohen Zahl an Kratern bedeckt sein. Ist sie aber nicht! Wie können wir uns das erklären?

Im Wesentlichen sind dafür drei Faktoren verantwortlich. Zum einen haben wir eine Atmosphäre auf der Erde. Regen, Wind, Schnee und Temperaturschwankungen führen dazu, dass Gesteine mit der Zeit verwittern und abgetragen werden. Geologische Strukturen wie Berge und eben auch Krater, sind also nicht dauerhaft stabil, sondern sind im Laufe der Millionen Jahre ständigen Veränderungen unterlegen bis sie schließlich komplett von der Oberfläche verschwinden.

Auch das Leben auf unserem Planeten trägt dazu bei, Gesteine zu zerkleinern und die Oberfläche zu verändern. Jeder kennt die enorme Kraft von Wurzeln, die Straßen und Gehwege wellig werden lassen oder Gesteinsbrocken sprengen können.

Am wichtigsten unter diesen Faktoren ist aber sicher die Plattentektonik, die Kontinentalplatten driften lässt, kontinuierlich neue Kruste an den mittelozeanischen Rücken bildet und alte Kruste an den Subduktionszonen vernichtet, wo zwei Platten kollidieren. Dabei wird alte Kruste in den Erdmantel geschoben, wo sie aufschmilzt und letztlich an den mittelozeanischen Rücken wieder an die Oberfläche gefördert wird.

Da wir auf der Mondoberfläche deutlich mehr Krater sehen können als auf der Erde, ist klar, dass diese Erneuerung der Kruste offensichtlich nicht stattgefunden hat und wir deshalb weiter in die Vergangenheit des Sonnensystems zurückblicken können, als wir dies auf der Erde können. Aufgrund der Verteilung von Kratern und anderer geologischer Strukturen auf dem Mond und anderen Körpern kann geschlossen werden, dass diese Körper keine Plattentektonik besitzen. Eine fundamental wichtige Erkenntnis! Plattentektonik wird nämlich auf der Erde über die Konvektion des Mantels angetrieben. Dies ist ein äußerst effektiver Prozess, interne Wärme abzuleiten und so zur Abkühlung des gesamten Körpers beizutragen. Der Mond bildete im Gegensatz zur Erde eine einzige isolierende Schicht, die im Lauf der Jahrmillionen auf ca. 1000 km angewachsen ist und Wärme nur durch Konduktion ableiten kann. Diese aus Kraterverteilungen abgeleiteten Erkenntnisse sind wichtig für unser Verständnis der thermalen Entwicklung des Mondes und seiner geologischen Prozesse und waren nur möglich durch Studien von Impaktkratern auf der Erde und anderen Körpern, inklusive dem Rieskrater.

Erde und Mond sind einem kontinuierlichen Bombardement der Oberfläche mit überwiegend Asteroiden ausgesetzt. Durch Studien von Kratern auf der Erde und dem Mond wurde sehr schnell klar, dass es sich beim Impaktprozess um einen zufälligen Prozess handelt, der allerdings gewissen Regelmäßigkeiten unterliegt. So wurden in der Frühphase des Sonnensystems wesentlich mehr Krater im Erde-Mond System gebildet als heute. Sowohl die Größe der Projektile als auch die Häufigkeit von Impakten haben seitdem in erster Näherung kontinuierlich abgenommen. Die Details dieser Abnahme werden allerdings durchaus noch in der Fachwelt diskutiert.

Nichtsdestotrotz steht fest, je mehr Krater eine Oberfläche besitzt, desto länger war sie diesem Bombardement ausgesetzt und desto älter ist sie. In der Tat sind auf der Erde die letzte 1 Mrd. Jahre relativ gut verstanden, während wir über Prozesse davor nur äußerst begrenzte Informationen haben. Der Mond füllt uns diese Wissenslücke, weil wir, basierend auf unseren Kraterhäufigkeiten und datierten Proben wissen, dass wir mit den Hochländern Gebiete sehen können, die mehr als 4,3 Mrd. Jahre alt sind. Die Altersbestimmungen für die Maregebiete belegen, dass sie über mehr als 3 Mrd. Jahren gebildet wurden. Die dunklen Gebiete belegen also eine langandauernde vulkanische Aktivität auf dem Mond, während die hellen Gebiete die Produkte der Kristallisation eines globalen 400-500 m tiefen Magmaozeans sind, der den Mond in der Frühphase einst bedeckte.

Es ist schon absolut fantastisch, dass diese alten Produkte des Magmaozeans noch heute auf dem Mond erhalten sind und studiert werden können. In der Tat ist der Mond der einzige Körper, der diese sog. primäre Kruste bis heute konserviert hat. Erst aufgrund jahrzehntelanger Studien von Impaktprozessen und der Zählung von Kratern auf der Mondoberfläche und insbesondere der Kalibration von Kraterhäufigkeiten mit den Gesteinsaltern der Apollo- Luna- und Chang‘e-Proben waren wir in der Lage, die geologische Geschichte nicht nur des Mondes, sondern auch anderer planetarer Körper zu entziffern.

Ca. 200 Impaktkrater auf der Erde und unzählige Krater auf allen planetaren Körpern mit Ausnahme von Io, dem innersten Jupitermond, belegen, dass der Impaktprozess ein Prozess ist, der im gesamten Sonnensystem planetare Oberflächen beeinflusst und verändert. Eine Erkenntnis, die jedoch noch nicht allzu alt ist! In der Tat ist der Rieskrater ein klassisches Beispiel, wie sich die Geologie in den letzten Jahrzehnten und Jahrhunderten weiterentwickelt hat und wie das gewachsene Verständnis von Impaktprozessen unsere geologischen Interpretationen gewandelt hat. Ähnliches galt übrigens auch für das oben erwähnte Konzept der Plattentektonik. Zunächst ins Lächerliche gezogen, fanden sich letztlich immer mehr Belege für deren Existenz bis selbst die schärfsten Gegner nicht mehr anders konnten, als sie anzuerkennen. Jahrhunderte wurden Impaktkrater nicht als solche erkannt und dementsprechend waren sie nicht auf dem „Radarschirm“ der Geologen. So wurde in der Geologie im 17.-20. Jahrhundert heftig darüber gestritten, ob alle Krater vulkanischen Ursprungs sind oder ob es zumindest einige gibt, die durch den Einschlag von Asteroiden entstanden sein könnten.

So ist es auch nicht verwunderlich, dass versucht wurde, auch den Rieskrater mit teils abenteuerlichen Hypothesen zu erklären. Zahlreiche geologische Karten zeigen das Ries z.B. als einen Vulkankrater. Heute kann man darüber natürlich lächeln, aber wer schon einmal einen Suevit in der Hand gehalten hat, wird die enorme Ähnlichkeit mit einem vulkanischen Tuffgestein schnell erkennen. Im Weltbild der damaligen Geologen war eine vulkanische Entstehung also mehr als vernünftig, speziell da man den Impaktprozess und dessen Produkte bestenfalls ansatzweise verstand.

Aber wieder zeigt sich: Man muss genau hinschauen! Und genau das taten die amerikanischen Geologen Eugene Shoemaker und Ed Chao in den frühen 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts. Shoemaker war tief in das Apollo-Programm involviert und war daher bereits sensibilisiert für die Möglichkeit Krater durch Einschläge zu bilden. Die Entdeckung von Coesit und Stishovit, zwei Hochdruckphasen von Quarz und die Entdeckung winziger Diamanten waren letztlich entscheidend, das Nördlinger Ries als Ergebnis der Kollision eines Asteroiden zu begreifen. Die durch diese Minerale angezeigten Druck- und Temperaturverhältnisse übersteigen jene bei vulkanischen Bildungen um ein Vielfaches und können selbst bei der Kollision von Kontinenten nicht erreicht werden. Impakte als „normaler“ geologischer Prozess – fürwahr ein neues und radikales Verständnis! Und das Ries hat wesentlich dazu beigetragen!

Das Ries ist ein einzigartiger Krater! So sind z.B. die produzierten und ausgeworfenen Impaktgesteine hier besonders gut erhalten und erlauben Studien, die sonst nicht möglich sind. Mit seiner Größe und der Ausbildung eines zentralen inneren Rings zählt der Rieskrater zu den sog. komplexen Kratern. Und in der Tat ist nicht nur seine Struktur, sondern auch seine Geologie komplex und noch nicht in allen Details verstanden. Wir wissen, dass das Projektil eine Schichtstufenlandschaft getroffen hat, bei der nach Norden hin und der Topographie folgend, immer ältere Gesteine auftraten. Im Süden des Rieses findet sich überwiegend die jüngste Schicht des Jura, der weiße Jura oder Malm. Über den braunen Jura (Dogger) und die älteste Juraschicht (schwarzer Jura, Lias) reicht das Schichtpaket im Norden bis in die oberste Schicht der Trias, den Keuper. Unterlagert wird dieses ca. 600 m mächtige Sedimentpakte von kristallinen Gesteinen des Grundgebirges, also Graniten, Gneisen und Amphiboliten. Überlagert wurden die jurassisch/triassischen Sedimente durch tertiäre Sedimente, die beim Einschlag aufschmolzen und heute im NE des Rieskraters in bis zu 450 km Entfernung durch Tektite, die sog. Moldavite, belegt sind.

Die Bunte Breccie und der Suevit sind die Hauptprodukte des Einschlags und unterscheiden sich drastisch. Untersuchungen an der Bunten Breccie haben ergeben, dass sich darin überwiegend Sedimentfragmente finden, während sich im Suevit hauptsächlich kristalline Komponenten finden. Bei beiden Gesteinen handelt es sich um sog. Brekzien, die durch scharfkantige Fragmente in einer Grundmasse charakterisiert sind. Diese scharfkantigen Fragmente bildeten sich beim Zerbrechen von Gesteinen während des Einschlags. Die Bunte Brekzie wurde bei relativ kühlen Temperaturen und geringen Schockstufen abgelagert, so dass sich noch heute darin Tone und Fossilien finden lassen. Demgegenüber belegen die sog. Flädle, aerodynamisch deformierte Schmelzfragmente, dass der Suevit bei höheren Temperaturen und auch bei höheren Schockstufen gebildet wurde.

Im Steinbruch Aumühle liegen diese zwei Gesteine scharf getrennt unmittelbar neben- bzw. übereinander, was selbst nach mehr als 50 Jahren Impaktforschung im Rieskrater noch immer für Stirnrunzeln sorgt. Auch sind die Mächtigkeiten des Suevits im Kraterinneren und außerhalb deutlich unterschiedlich. So hat die Forschungsbohrung Nördlingen (1973) ca. 300-350 m Suevit im Inneren ergeben, währen sich die Mächtigkeiten außerhalb des Kraters im Zehnermeterbereich bewegen. Verstanden ist der Ablagerungsprozess also noch nicht hundertprozentig! Fest steht aber, dass das Ries eine extrem guterhaltene Auswurfdecke besitzt, die durch zahlreiche Bohrungen im Detail untersucht werden konnte. Arbeiten von Fred Hörz, einem NASA-Geologen haben dabei gezeigt, dass mit zunehmendem Abstand vom Krater immer mehr lokales Material in die Auswurfdecke eingearbeitet wird.

Eine weltbekannte Lokalität um die Platznahme der Bunten Brekzie zu studieren ist der Steinbruch Gundelsheim, wo die Bunte Brekzie fantastische Striemungsmarken auf der Oberfläche des dort abgebauten „Treuchtlinger Marmors“, einem Malmkalk, hinterlassen hat. Beobachtungen in anderen Lokalitäten zeigen, dass diese Striemungsmarken radial zum Krater orientiert sind, was die ursprüngliche Interpretation als glaziale Striemung eher negiert. Zwischen dem inneren Ring, der kristalline Gesteine aus großer Tiefe durch das Rückfedern des Bodens nach Durchlauf der Schockwellen an die Oberfläche brachte und dem äußeren strukturellen Kraterrand findet sich die Megablockzone. Diese Zone besteht aus kohärenten Gesteinsbrocken, die durch den Einschlag bewegt und rotiert wurden. Ein Paradebeispiel für einen solchen Megablock ist der Riegelberg mit seinen Ofnethöhlen.

Krater mit Zentralbergen oder -ringen und großen Blöcken am Kraterboden sind von allen planetaren Oberflächen bekannt, was die Riesforschung besonders relevant macht. Zusammen mit den grundlegenden Arbeiten von Dieter Stöffler über die Bunte Brekzie und die Schockklassifikation des Suevits bilden solche Erkenntnisse einen wesentlichen Teil unseres Fundaments zur Interpretation von Kratern auf anderen planetaren Körpern. Ohne das Ries würden wir also Krater auf anderen Planeten, Monden und Asteroiden viel schlechter verstehen können.

Die Strukturen und Dimensionen von Kratern erlauben uns, Rückschlüsse über die physikalischen Eigenschaften der Kruste planetarer Körper zu ziehen. Größere Mengen an Wasser in der Kruste führen z.B. dazu, dass sich die Gestalt der Auswurfdecke ändert – es kommt zur Ausbildung von lobenartigen Auswurfmassen, die durch morphologische Rücken begrenzt werden, während die Mächtigkeit der Auswurfmassen auf trockenen Körpern mit wachsender Entfernung vom Krater kontinuierlich abnimmt. Auch Atmosphäreneffekte spielen vermutlich eine Rolle bei der Ausbildung von lobenartigem Auswurfmaterial.

Mit der extrem guten Erhaltung seiner Auswurfdecke, ermöglicht uns der Rieskrater diese Effekte genauer zu studieren. Impaktversuche im Labor können natürlich unter sehr genau definierten Bedingungen durchgeführt werden. Sie können allerdings weder mit realistischen Impaktgeschwindigkeiten durchgeführt werden, noch können Krater in der Größe des Ries produziert werden. Somit werden diese Studien durch Skalierungsprobleme in ihrer Aussagekraft eingeschränkt. Numerische Modellierungen leiden andererseits darunter den Impaktprozess in allen vier Dimensionen mit vernünftigen Computeraufwand und die komplexe Geologie in mathematisch/physikalischen Modellen darzustellen. Die detaillierte Arbeit im Feld und damit im Rieskrater wird also auf absehbare Zeit weiter von großer wissenschaftlicher Bedeutung sein. In Kombination mit Impaktversuchen und numerischen Modellierungen bilden sie die Basis für ein vollumfängliches Verständnis von Einschlagkratern.

Kraterdegradation ist ein weiteres Feld wissenschaftlichen Interesses denn wie schnell Krater degradieren erlaubt uns wiederum Aussagen über die physikalischen Eigenschaften, wie z.B. die Steifigkeit bzw. Viskosität der Kruste, zu machen. Der Übergangsdurchmesser von einfachen zu komplexen Kratern kann z.B. dazu verwendet werden, gesteinsdominierte Krusten von eisdominierten Krusten der Eismonde im äußeren Sonnensystem zu unterscheiden.

Von vergleichenden Kraterstudien auf unterschiedlichen Körpern wurde klar, dass Krater in einer „wasserreichen“ Kruste schneller degradieren als bei einer trockenen Kruste – das Material der steilen Kraterwände ist weniger stabil und fließt in den Krater, der dabei weniger tief aber etwas größer wird. Solche Modifikationsprozesse sind natürlich von vielen anderen Parametern abhängig, wie z.B. der Gravitation auf einem Körper, der Oberflächentemperatur, der Krustenstruktur oder der Kratergröße. Der Rieskrater ist also ein wichtiger Kalibrationspunkt, um diese Faktoren besser eingrenzen zu können. Basierend auf unserem generellen Verständnis dieser Parameter konnten Fließstrukturen an Kraterwänden auf dem Asteroiden Ceres dazu verwendet werden um festzustellen, dass die Kruste wohl ca. 25% Wasser enthalten muss und dass Modelle, die eine reine Wassereisoberfläche für Ceres vorhersagten wohl eher inkorrekt sind. So erlaubt uns der Rieskrater, auch Aussagen über die geologische Entwicklung von Asteroiden zu machen!

Der Rieskrater ist also in vielerlei Hinsicht ein ausgesprochen wichtiger „Referenzkrater“ und ein gutes Analog zu Kratern auf dem Mond und anderen „trockenen“ Körpern. Er bietet sich aber darüber hinaus auch als Marsanalog an. Der Mars war bis vor ca. 3 Mrd. Jahren ein Planet auf dessen Oberfläche flüssiges Wasser stabil gewesen sein musste.

So beobachten wir aus dieser Zeit stammende ausgedehnte Flusssysteme von vielen hunderten Kilometern Länge und mehreren Kilometern Breite sowie zahlreiche verfüllte und wieder freigelegte Krater. Auf ihrem Verlauf zu den nördlichen Tiefländern haben diese Talsysteme häufig Kraterränder erodiert und die Krater mit Sedimenten gefüllt. Auch im Rieskrater finden sich sehr wichtige Hinweise darauf, wie man sich ein solches „Volllaufen“ von Kratern vorstellen kann und welche Sedimentationszyklen sich dabei identifizieren lassen.

Arbeiten von Gernot Arp haben gezeigt, dass sich an der Basis der Verfüllung gröbere Konglomerate finden, die nach oben hin immer feiner werden. Am Anfang stand also noch mehr Energie bei der Verfüllung zur Verfügung, um größere Partikel transportieren zu können, während später eher ruhigere Ablagerungsverhältnisse vorgeherrscht haben müssen. Anders als die weiter oben erwähnten Brekzien entstehen Konglomerate bei der Verfestigung von transportierten und daher abgerundeten Komponenten.

In Hainsfarth und am Burgberg in Wallerstein gibt es weitere herausragende Belege für die Post-Impakt-Modifikation des Rieskraters. In Hainsfarth sehen wir z.B. Stromatolithe (lagenweise aufgebaute Produkte von Cyanobakterien) sowie das massenhafte Auftreten von kleinen Schalenkrebsen (Strandesia risgoviensis) und Schnecken (Hydrobia trochulus). Zunächst müssen wohl Bedingungen geherrscht haben, die nur für Spezialisten (z.B. Rot- und Braunalgen) zum Überleben geeignet waren, während sie für andere Arten eher lebensfeindlich waren, also z.B. stark salzhaltige Bedingungen. Erst mit einem Wechsel des Klimas von semiariden zu humiden Bedingungen kam es zu einer Aussüßung des Sees und damit zu besseren Lebensbedingungen für verschiedene Algenarten (wie z. B. Grünalgen), Schnecken, Schalenkrebse, Wasservögel und Schilf. Da nur wenige Arten auftreten, diese aber massenhaft vorkommen, kann geschlossen werden, dass die Lebensbedingungen überwiegend hochspezialisierte Arten hervorbrachten.

Stromatolithe finden sich auch in Wallerstein, wo sie auf einer Erhebung nahe dem inneren Ring auftreten. Es ist also klar, dass der Rieskrater für längere Zeit (ca. 2 Mio. Jahre) die Heimat eines Kratersees war. Für das Auffinden möglichen Lebens auf dem Mars verfolgt die NASA die Strategie dem Wasser zu folgen – Follow the Water. Da Wasser eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung von Leben ist und die durch Wasser gebildeten Morphologien und Gesteine relativ leicht erkannt werden können, soll dies die Wahrscheinlichkeit des Auffindens von Leben erhöhen. Dementsprechend wurden auch die Rovermissionen Spirit, Curiosity und Perseverance der letzten Jahre in Krater geschickt, wo wir z.B. Deltastrukturen oder andere Hinweise auf eine Verfüllung des Kraters durch Wasser sehen. Das Ries liefert also auch für diese wissenschaftliche Fragestellung wichtige Informationen.  

Nun zu einem weiteren Aspekt der Riesforschung – dem Training von Astronauten für deren Einsatz auf der Mondoberfläche. Astronauten sind ein unglaublich vielseitiges und effektives „Werkzeug“ für die wissenschaftliche Erkundung der Mondoberfläche, vorausgesetzt, sie wurden entsprechend trainiert, um relevante Beobachtungen zu machen, Instrumente sinnvoll einzusetzen und aussagekräftige Proben von meist geologisch komplexen Landestellen zu sammeln.

Zu Beginn der Apollomissionen wurden bevorzugt Landestellen auf ebenen Maregebieten ausgesucht – man musste erst lernen, wie man auf der Oberfläche mit Astronauten landen und diese wieder sicher auf die Erde zurückbringen kann. Mit zunehmender Erfahrung wurden die Landestellen aber auch in Gebieten ausgewählt, die viele Impaktkrater aufweisen und die geologisch immer komplexer wurden. Klassisches Beispiel ist die Apollo 16 Landestelle, von der es auch eine Probe im Rieskratermuseum zu bewundern gibt. Diese Probe ist eine wunderbare Impakt-Brekzie, wie sie in ähnlicher Form auch beim Riesimpakt gebildet wurde. Um den Wissensgewinn der Apollomissionen zu maximieren, durchliefen die Astronauten ein intensives und vielfältiges Trainingsprogramm, um sie für ihre Aufgaben auf dem Mond vorzubereiten.

Apollo 14 und 17 Astronauten haben dabei auch im Rieskrater unter Leitung von Wolf von Engelhardt, Dieter Stöffler und Fred Hörz trainiert, um die Impaktprozesse und deren Produkte aus erster Hand selbst erfahren zu können. Natürlich hätte auch anderswo trainiert werden können, aber im Ries kommen neben der wissenschaftlichen Einzigartigkeit weitere positive Faktoren zum Tragen, nämlich die enorm gute Erschließung und die damit verbundene simple Logistik, die ein solches Training natürlich enorm erleichtern.

Auch das geologische Astronautentraining der ESA besucht mehr oder weniger jährlich den Rieskrater. Tatsächlich nehmen daran nicht nur ESA-Astronauten teil. In den Jahren seit 2016 beteiligten sich auch ein russischer, zwei japanische und drei NASA-Astronauten am sog. PANGAEA-Programm. Das Ries ist also der ideale Krater, um Astronauten in die Impaktgeologie einzuführen und ist daher von besonderer Bedeutung in der Planetologie und speziell für unser Verständnis von Kratern auf planetaren Körpern.

In wenigen Worten: Der Rieskrater ist einzigartig, wissenschaftlich hoch spannend und für die weitere Exploration des Sonnensystems einer der wichtigsten „Referenzkrater“. Trotz seiner enormen Bedeutung und intensiver Erforschung, sind wir noch weit davon entfernt, den Rieskrater und seine Produkte vollständig zu verstehen. Die weitere Erforschung des Rieskraters bietet ungeahnte Möglichkeiten neue und fundamental wichtige Erkenntnisse zu gewinnen. Solche Erkenntnisse sind nicht nur von „lokaler“ Bedeutung, sondern haben Implikationen für das gesamte Sonnensystem. Umso wichtiger ist die Pflege und Erhaltung bedeutender geologischer Aufschlüsse im Rahmen des UNESCO Geoparks, um den Krater auch in Zukunft mit neuartigen Methoden und einem besseren Verständnis der Kraterbildungs- und Modifikationsprozesse untersuchen zu können.