Comparative Morphological Analysis of the Early Paleozoic Marine Impact Structures Kärdla and Neugrund, Estonia

Kokkuvõte

Kärdla ja Neugrund on kaks lähedalasuvat meteoriidikraatrit (impakt-struktuuri) Loode-Eestis, mida lahutab 60 km pikkusmõõdus (esimene asub Hiiumaal Kärdla lähistel ja teine Soome lahe väraval Osmussaare lähistel) ja umbes 80 miljonit aastat ajaskaalal (esimene tekkinud umbes 455 mln ja teine 535 mln aasta eest). Vaatamata paljudele sarnasustele (tekketingimused, morfoloogia, vanus, suurus, uuritus jne), on neil ka mitmeid erinevusi ja seda niisamuti tekketingimuste, morfoloogia, vanuse, suuruse, uuritus jne osas.

Kuigi mõlemad meteoriidikraatrid tekkisid rannalähedases (vähem kui sadakond kilomeetrit rannast ja kulutusalalt) madalmeres toimunud meteoriidiplahvatuse tagajärjel, oli plahvatusaluse ehitus siiski mõnevõrra erinev – kui Kärdlas kattis umbes 240 m sügavusel lasuvat varaproterosolistest moondekivimitest plahvatusalust lisaks umbes 100 m paksusele veekihile 20 m lubakive ja 120 m liivakivi-aleuriiti-savi, siis Neugrundi puhul oli kattekiht veidi õhem (umbes 200 m) ja lisaks umbes 100 m paksusele veekihile oli selles veel umbes 100 m Vendi-Kambriumi vanusega liivakivi-aleuriiti-savi.

Kui Kärdla puhul võttis anomaalse struktuuri leidmisest (1967) kuni selle meteoriitse päritolu tõestamiseni (1981) aega 14 aastat, siis Neugrundi puhul vaid 3 aastat – 1995. aastal püstitati hüpotees meteoriidikraatri olemasolust Neugrundi madala piirkonnas ja juba 1998. aastal tõestati see lõplikult. Kindlasti kiirendasid Neugrundi meteoriidikraatri olemuse selgitamist ka Kärdla meteoriidikraatri uurimisel omandatud kogemused.

Kui täielikult mattunud Kärdla meteoriidikraatri elemendid on avatud enam kui 150 puurauguga, siis Neugrundi puhul küünivad osaliselt mattunud (ringvall ja sellest kaugemale jäävad struktuurid paljanduvad osaliselt merepõhjas) meteoriidikraatri elementideni vaid üksikud (kuni 5) puuraugud Loode-Eestis ja kraatrisüvik on täielikult avamata.

Kärdla kraatrialal olid peamisteks uurimismeetodiks puurimine, millest suur osa tehti mitmesuguste rakendusgeoloogiliste uuringute (mitut liiki ja eri mõõtkavades geoloogiline kaardistamine, hüdro- ja ehitusgeoloogilised uuringud, maavarade otsingud ja uuringud) ja maapealsed ning puuraukudes läbi viidud geofüüsikalised uuringud (gravimeetria, magnetomeetria, elektromeetria jne). Neugrundi puhul laekus põhiosas teabest paljandite ja neilt pärit rändkivide uurimisest ning merele omaste spetsiifiliste uurimismeetodite kasutamisest (proovimine ja paljandite dokumenteerimine sukeldumiste käigus, merepõhja seismoakustiline pidevprofileerimine, merepõhja vaatlused külgvaate sonari ja robotkaameraga). Kõik need meetodid koos ja eraldi andsid üldiselt hea ülevaate impaktstruktuuride morfoloogiast ja võimaldasid jälgida ka nende arengut sadade miljonite aastate jooksul. Viimast eriti Kärdla meteoriidikraatri puhul, kus lisaks kraatristruktuurile endale õnnestus jälgida ka kraatrist plahvatusega välja paisatud ja pea täielikult säilinud väljapaisatud aluse peenpihustatud materjalist kihi levikut ning sellega aset leidnud muutusi.

Struktuuride arengu paremaks jälgimiseks koostati nende digitaalsed kolmedimensioonaalsed struktuurimudelid ja seda kolmel eri struktuursel tasandil: struktuuriala kristalse aluskorra kivimite pealispind, aluspõhja kivimite pealispind ja tänapäevane reljeef. Suuresti nende, aga ka teiste vaatlus- ja prooviandmete põhjal tehtud järeldused on summeeritud järgnevas kaheksas kokkuvõtvas punktis:

1. Vaatamata Kärdla ja Neugrundi meteoriidikraatrite plahvatusaluste sarnasusele on tekkinud struktuuridel ka rida erinevusi, seda eriti ringvalli osas. Kui Kärdlal ümbritsed 3,5 kilomeetrise läbimõõduga kraatrisüvikut, mille keskosas on hästi välja kujunenud keskkerge, kuni 1 km laiune lihtne ringvall, siis Neugrundi puhul on asi tunduvalt keerulisem – siin ümbritseb 5,5 kilomeetrise läbimõõduga, ja ilmselt ilma keskkerketa kraatrisüvikut umbes 3 km laiune 3-st ringahelikust koosnev ringvall. Kui sisemine ringahelik on suhteliselt monoliitne, siis välimised kaks koosnevad kristalse aluskorra kivimite tõstetud hiidplokkidest, mis vahelduvad plahvatuseelse aluse settekivimite tugevast deformeeritud plokkidega.

2. Nii nagu meteoriidikraatreid tekitanud meteoorkehade kineetiline energia oli erinev, nii erinevad ka nende poolt tekitatud impaktstruktuurid: Kärdla puhul on tegu keskkerget omava kompleksse kraatriga ja Neugrundi puhul – ringahelikega kompleksse kraatriga.

3. Mõlema kraatri üheks erakordsemaks omaduseks on selgesti jälgitava ringmurrangu olemasolu, kuid ka siin on jälgitavad mõningased erinevused: kui Neugrundi puhul väljendub ringmurrang hästijälgitava murranguga kristalsetes kivimites, siis Kärdla puhul on ringmurrangu olemus täpselt välja selgitamata, kuid ilmselt piirdub see vaid deformatsioonidega plahvatuseelsete settekivimite lasundis.

4. Kui Kärdla puhul on ringmurrangu raadiuse suhe ringvalli raadiusse 3,25 (13 km : 4 km), siis Neugrundi puhul on see suhe väiksem ehk 2,3 (20,5 km : 9 km). Selle erinevus on tingitud ilmselt üheltpoolt erinevustes löögikeha (meteoorkeha) parameetrites ja teisalt plahvatusaluse ehituses.

5. Kärdla ja Neugrundi kraatri kristalsete kivimite arvel tekkinud impaktbretšad on nii visuaalselt, mineraalselt kui keemiliselt üksteisele väga sarnased. Seesama K-fenomen (granitoidse kivimi rikastumine kaaliumiga ja naatriumi väljakanne), mis oli jälgitav Kärdla kraatri granitoidse koostisega impatbretšades, on jälgitav ka Neugrundi kraatri sarnastes kivimites.

6. Nii nagu puudub impaktsulami lääts Kärdla kraatris, nii puudub see, otsustades magnetvälja uuringute järgi, ilmselt ka Neugrundi kraatris. Sulamiläätse puudumine on ilmselt omane kõigile selle suurusjärgu (väikestele ja keskmistele) meres tekkinud meteoriidikraatritele.

7. Kui Kärdla väljapaiskematerjali (ejecta) kiht on selgesti äratuntav ja selle levik detailselt kaardistatud, siis Neugrundi puhul, kus väljapaiskematerjali kiht on raskesti äratuntav (liivaka materjali kiht liivalasundis) on see tuvastatav üksnes löögimoonde tunnustega mineraalide (kvartsi) terade leviku järgi. Täiendavat uurimist vajab ka osmussaar-bretšas ja Pakri kihistu (Kesk-Ordoviitsiumi Kunda lade) lubiliivakivis esinevate löögimoonde tunnustega mineraalide (kvartsi) terade päritolu. Ilmselt on tegu siiski neugrund-bretšast ümbersetitatud materjaliga.

8. Neugrundi kraatri siseehituse tundmaõppimiseks oleks vaja puurida selle keskossa (Keskplatoole) puurauk, mis avaks meteoriidiplahvatuse käigus tekkinud kivimite lasundit. Kuna koostamisel on igati tänuväärne projekt, mis näeb ette Neugrundi madala lubjakiviplatoole 40 generaatoriga tuulepargi rajamist. Tuulegeneraatorite aluste uuringute käigus võiks rajada ka eelmainitud uuringupuuraugu. Tuulepargiga kaasnev infrastruktuur võiks soodustada ka meteoriidikraatri uurimist ja selle, kui maailmamere teadaoleva kõige paremini säilinud meteoriidikraatri tutvustamist asjaosahuvilistele.

 

Abstract

Kärdla and Neugrund are two quite similar Early Palaeozoic marine impact structures, which are situated ca 60 km apart in the coastal area of Estonia. Beside many similar features (geological setting of the target, presence of ring fault), there are also several differences (e.g. measurements, age, etc).

The purpose of the present investigation is a comparative morphological analysis of the two adjacent Palaeozoic marine impact structures formed in rather similar conditions. The Kärdla structure is situated mostly on mainland and has been thoroughly investigated by numerous (ca 160) drill holes and mainland geophysical methods, while the Neugrund structure is situated on the sea floor and cannot be investigated by direct methods, except diving. These circumstances raise the need for a comparative morphological analysis of the two impact structures. In the course of data analysis and morphological reconstruction of structural elements the features obtained by direct investigations in Kärdla were used for clearing up the morphology and post-impact development of the Neugrund impact structure, since direct data were absent or insufficient for the latter area.

The discovery and subsequent investigation of the Neugrund, and especially of the Kärdla impact structure, have been closely connected with applied geological research (geological mapping, prospecting for mineral resources and groundwater, engineering geological investigations, etc.) and therefore the methods and techniques used have been dependent on the established goals. The marine geological investigations (continuous seismoacoustic profiling, side-scan sonar profiling, diving and sampling of submarine outcrops, video robot observation of seabed) were predominantly carried out during the marine geological mapping.

The comparative morphological analysis of the impact craters was carried out by computer modelling or composing 3D computer images of the Kärdla and Neugrund impact structures, which depict different structural levels of their development (crystalline basement, sedimentary bedrock, nowadays). Mostly as the result of these investigations the following conclusions were reached.

Despite the similarity of targets, the two impact structures have some morphological differences, especially in setting of their rim walls; kinetic energy of the projectiles (impactors) was different and consequently the formed impact structures, too, belong to different formations of complex impact craters: Kärdla is a complex impact crater with a central uplift (peak), and Neugrund – a complex peak ring crater. A specific feature for both impact structures is the presence of ring fault running outside the rim walls, which has been established by remote sensing methods. In the case of the smaller structure (Kärdla) the ring fault is expressed more weakly, because it does not reach the crystalline basement rocks and is not expressed in the potential (geophysical) fields. The ring fault surrounding the bigger structure (Neugrund) is more clearly expressed as up-to-60-m-high escarpments in the crystalline basement rocks, obviously caused by vertical movements of the blocks. The ratio of the ring fault diameter to the rim wall diameter of the Kärdla carter is about 3.25, while that of the Neugrund crater is about 2.3. Such difference is due to variations in the parameters of the projectiles (impactors) and the targets. Experience obtained through the investigation of impact structures indicates that the ratio of the ring fault diameter of the formed impact structure to its rim wall diameter also depends on the kinetic energy of a projectile, as well as on the composition of the target. Therefore, the diameter of a ring fault cannot be used for calculations without taking into account also the composition of the target. All types of impact-produced rocks (except limestone-breccias) that are known in Kärdla have been distinguished also among the impact-produced rocks of the Neugrund impact structure. K-phenomenon (enrichment of impact-produced granitic rocks with potassium and the decreasing content of sodium) is also followed in both cases. The investigations of potential (magnetic) field allow supposing that in both cases the lenses of melted rocks are absent in the interior of the crater proper. This phenomenon is obviously due to the marine origin of both impact structures. The ejecta and impact-influenced rocks in the surroundings of the Kärdla impact structure are rather well studied, while in Neugrund these certainly need further investigations, especially in connection with the problems related to the spreading of impact-influenced minerals (quartz with PDF) in Osmussaar breccias and rocks of the Pakri Formation (Middle Ordovician, Kunda Stage) in farther surroundings of the Neugrund structure. For solving several problems connected with the Neugrund structure a drill hole should be made on the Central Plateau. Realization of such a drill hole could be fostered by the recently submitted proposal to build a wind farm composed of 29 windmills within the Neugrund Bank, where the depth of water is 2–15 m. The comparative morphological investigations of the Kärdla and Neugrund impact structures will promote further investigation of these undoubtedly notable world’s best preserved meteorite craters – Kärdla among the buried and Neugrund among the marine structures.