Geologie van meteorieten

Meteorieten geven inzicht in de elementaire bestandsdelen van planeten en planetoïden en bieden zo een perspectief op het zonnestelsel dat je niet krijgt door een telescoop. In deze longread geven we je enige achtergrond van mineralen en eigenschappen van gesteente zodat duidelijk wordt waarom meteorieten zo interessant zijn, en waarom het vinden van nieuwe meteorieten wetenschappelijk relevant is.

Meteorieten zijn doorgaans kleine fragmenten die afkomstig zijn van hun grotere soortgenoten, de planetoïden. Deze hemellichamen bevolen veelal het gebied tussen de banen van Mars en Jupiter. Recente spectrale waarnemingen suggereren dat deze objecten ooit ontstaan zijn in verschillende plekken van ons zonnestelsel en uiteindelijk in de hedendaagse planetoïdegordel zijn samengekomen. Dankzij de verstorende werking van de zwaartekracht van Jupiter kunnen planetoïden onderling met elkaar botsen en worden objecten uit de planetoïdegordel geworpen. Zo belanden sommige kleine fragmenten uiteindelijk in aardkruisende banen waar ze zich kenbaar maken als helder vuurbollen zodra ze de atmosfeer van de aarde in vliegen. De meteorieten die vervolgens op aarde belanden kunnen daarmee inzicht geven in de geologische diversiteit onder de planetoïden in het zonnestelsel.

De geologische familieboom van het zonnestelsel

In het verleden werd de indeling van meteorieten gemaakt op basis van hun uiterlijk en globale samenstelling: steen, ijzer en steen-ijzer meteorieten. Deze indeling zorgde al snel voor verwarring;  steenmeteorieten bevatten ook ijzer, ijzermeteorieten bevatten ook steen, en de steen-ijzermeteorieten bevatten beide. Met de toename van de hoeveelheid meteorieten en verbeterde analysemethoden, ging men over tot een indeling op basis van de veranderingen die ze hebben ondergaan gedurende de 4,567 miljard jaar sinds hun vorming.

Traliechondrule in een gewone chondriet; de Tamdakht. Werkelijke afmetingen van het beeldveld zijn 2,25mm bij 1,5 mm.
Traliechondrule in een gewone chondriet; de Tamdakht. Werkelijke afmetingen van het beeldveld zijn 2,25 mm bij 1,5 mm. (Foto: Zenit/Gert Jan Netjes)

Om een meteoriet te classificeren is het noodzakelijk om te kijken naar de inwendige eigenschappen zoals de mineralen en de structuren in het gesteente. De meteorieten die sinds het ontstaan van ons zonnestelsel uit een rond de jonge zon draaiende schijf van gas en stof grotendeels ongewijzigd zijn gebleven, noemen we ongedifferentieerd. Deze hebben alleen wat veranderingen ondergaan als gevolg van water of warmte maar zijn nooit volledig gesmolten geweest. Dit zijn de meest primitieve meteorieten die we kennen  en ze bevatten nog de eerste bestanddelen die tijdens het afkoelen in de gas/stofschijf  in  vaste vorm overgingen (condensatie). Kenmerkend voor  deze meteorieten zijn de chondrulen. Deze veelal ronde insluitsels in het gesteente geven hierdoor ook de naam aan deze groep, de chondrieten. De meteorieten uit deze groep komen van planetoïden kleiner dan 300 km.

Zijn de planetoïden tijdens hun ontwikkeling doorgegroeid tot objecten  groter dan 300 km, dan zorgen botsingen, inslagen  en radioactief verval ervoor dat de temperatuur in een dergelijk object oploopt tot boven het smeltpunt van de mineralen. Daardoor zakken de elementen met een hogere dichtheid (metalen) onder de invloed van de zwaartekracht naar de kern en komen de lichtere elementen (silicaten) meer  aan  het oppervlak te liggen gaan. Het object krijgt  een min of meer ronde vorm, een metalen kern en een stenen mantel. De groep meteorieten die afkomstig is van deze planetoïden vernoemen we naar het proces dat ze hebben ondergaan, gedifferentieerd. Gedifferentieerde steenmeteorieten noemt men achondrieten,aangezien ze geen chondrulen bevatten. Verder vallen de ijzermeteorieten, mesosiderieten en pallasieten (de vroegere steen-ijzermeteorieten) onder de gedifferentieerde meteorieten.

Bij het indelen van meteorieten in twee groepen vallen er natuurlijk altijd exemplaren buiten de boot. Er bestaan dus ook meteorieten met de kernmerken van beide groepen. Dit zijn meteorieten die niet geheel gesmolten zijn geweest maar wel zo heet werden  dat de kristalstructuur en minerale samenstelling veranderd is. Deze worden de primitieve achondrieten genoemd.

Ongedifferentieerde meteorieten, de chondrieten

De chondrieten zijn de eerste, nog bewaard gebleven bladzijden uit het geschiedenisboek van ons zonnestelsel. Zij bestaan voornamelijk uit de metalen ijzer en nikkel en enkele mineralen. In de chondrieten zijn ook de eerste condensaten in  de gas/stofschijf  zichtbaar, de calcium-aluminium-insluitingen (CAI’s, zie de foto). Deze CAI’s bevatten mineralen met het hoogste smeltpunt, waardoor dit de eerste vaste stoffen waren die condenseerden uit de schijf . Verder vormen de chondrulen het grootste bestanddeel van deze meteorieten, zo’n 40 tot 80%. Deze ongeveer 1 mm grote chondrulen zijn bolvormige kristalvormen die nog vóór het op gang komen van de kernfusieprocessen in de zon ontstonden. Voor hun ontstaan zijn verschillende theorieën geopperd. Volgens de meest geaccepteerde theorie zijn ze ontstaan in de jets van heet gas die de zon in de laatste fase van haar geboorteproces als T-Taurister in  uitstootte,  waarna ze stolden en ‘neer regenden’ op de gas/stofschijf  en daar samenklonterden tot de allereerste bouwstenen van de planetoïden en planeten. Andere theorieën denken aan elektrische ontladingen of elektromagnetische verhitting om de mineralen snel tot smelten en afkoelen te brengen.

Traliechondrule en twee porfirische chondrules samen met een CAI in de koolstofhoudende chondriet Allende. Werkelijke afmetingen van het beeldveld zijn 2,25 mm bij 1,5 mm. (Foto: Zenit/Gert Jan Netjes)
Details van mineralen onder microscoop. Traliechondrule en twee porfirische chondrulen samen met een CAI in de koolstofhoudende chondriet Allende. Werkelijke afmetingen van het beeldveld zijn 2,25 mm bij 1,5 mm. (Foto: Zenit/Gert Jan Netjes)

Eén manier waarop je de kenmerkende mineralen en structuren, zoals chondrulen en CAI’s, kunt onderzoeken, is onder een petrologische microscoop (op deze pagina wordt het gebruik hiervan verder uitgelegd). De CAI’s en de chondrulen zijn onder een microscoop eenvoudig te herkennen waarmee een eerste determinatiestap van een meteoriet te maken is. Op basis van hun kenmerken worden de chondrieten onderverdeeld in zestien klassen. Aangenomen wordt dat elke klasse waarschijnlijk ontstaan is uit één hemellichaam op telkens  een andere afstand van de zon. Momenteel zijn er zes klassen van de chondrieten bekend; ze zijn onderverdeeld in drie groepen van gewone chondrieten (H,L, LL); twee groepen enstatietchondrieten (EH, EL); acht groepen van koolstofhoudende chondrieten (CI, CM, CO, CV, CK, CR, CH, CB) en de aparte klassen R, K en F.

Binnen die klassen wordt met een getal de mate van metamorfose (de verandering van mineralen door warmte of contact met water) aangeven. De getallen vormen een wat vreemde schaal van 1 tot 7, waarbij 3 de basis is. De 3 geeft aan dat de meteoriet geen enkele invloed van warmte of water heeft ondergaan en dit zijn dus de meest oorspronkelijke meteorieten. De 1 en 2 geven de mate van metamorfose van water aan en 4 tot 7 de metamorfose door warmte, waarbij de 7 de meeste metamorfose ondergaan heeft. Die 3 tot 7 corresponderen met de thermische omstandigheden van verschillende delen van de planetoïde, waarbij de 3 aan de buitenkant zat, en de 7 meer in de kern, omdat daar radioactief verval en de druk door de zwaartekracht voor de grootste warmte zorgden.

Onder de microscoop is de metamorfose goed te zien aan de veranderingen die een chondrule heeft ondergaan. Metamorfose door water leidt  tot veranderingen van de minerale samenstelling van de chondrule en warmte verandert de kristalstructuur; beide onder de microscoop goed te zien zijn.

Van niet alle klassen zijn ook alle subtypen bekend, maar tussen de vele meteorieten die nu uit het Noorden van Afrika komen zullen er ongetwijfeld wat ontbrekende subtypen tussen zitten. Het overgrote deel van  meteorieten die worden gevonden zijn chondrieten, ca 86 %. Vier van de vijf Nederlandse meteorieten vallen ook onder de chondrieten. De Uden (LL7), Utrecht (L6), Glanerbrug (L/LL5) zijn gewone chondrieten en de Diepenveen is een koolstofhoudende chondriet (CM2-an).

Gedifferentieerde meteorieten

Primitieve achondrieten

De primitieve achondrieten zijn onder de microscoop lastiger te herkennen dan de chondrieten, doordat duidelijk herkenbare determinatiekenmerken, zoals de chondrulen, ontbreken. De samenstelling van mineralen in het gesteente is nog zeer beperkt, en het geoefende oog treft er voornamelijk mineralen als olivijnen, pyroxenen en veldspaten in aan.

Karakteristieke 120° hoeken tussen de kristallen, zogenaamde ‘Triple junctions’. De opname is gemaakt van de ureiliet NWA 5391. Werkelijke afmetingen van het beeldveld zijn 2,25mm bij 1,5 mm.
Triple Junctions. Karakteristieke 120° hoeken tussen de kristallen, zogenaamde ‘Triple junctions’. De opname is gemaakt van de ureiliet NWA 5391. Werkelijke afmetingen van het beeldveld zijn 2,25 mm bij 1,5 mm. (Foto: Zenit/Gert Jan Netjes)

Doordat deze meteorieten grotendeels gesmolten zijn geweest, is de samenstelling vrij homogeen en maken de kristallen vaak een onderlinge hoek van 120° (zogenaamde ‘triple junctions’, zie foto). De primitieve achondrieten zijn onderverdeeld in vier klassen; Ureilitieten, Acapucoieten/Lodranieten, Brachinieten en de Winonaieten. Die laatste hebben een relatie hebben met enige klassen van ijzermeteorieten. Slechts 0,4% van de gevonden meteorieten vallen onder de primitieven achondrieten.

Achondrieten

De groep van gedifferentieerde meteorieten omvat ook de ijzermeteorieten. Zij  laten geen licht door en zijn daardoor niet onder een petrologische microscoop te onderzoeken. In de meeste ijzermeteorieten zitten echter wel minerale insluitingen die we wel met behulp van een slijpplaatje en microscoop kunnen bekijken. Deze mineralen komen overeen met die van de achondrieten en zo illustreren ze de onderlinge relatie tussen deze meteorieten en de inwendige opbouw van een gedifferentieerde planetoïde.

De achondrieten (gedifferentieerde steenmeteorieten) hebben een complexere geologische geschiedenis achter de rug. Deze groep bevat niet alleen stukjes van grote planetoïden, maar er zijn er ook bij die mogelijk afkomstig zijn van grotere planeetachtige hemellichamen. Er zijn namelijk gesteenten in te vinden die gevormd zijn door  vulkanisme. De slijpplaatjes van achondrieten lijken – heel herkenbaar –  op basalten, dieptegesteenten en verschillende mineralen die wijzen op geologische processen die vergelijkbaar zijn met die op aarde. Verder valt op dat de kristallen over het algemeen groter zijn. Dit wijst er op dat het gesteente langzaam is afgekoeld, wat ook weer wijst op een oorsprong in een groter hemellichaam.

Er zijn nu zo’n zeventien klassen van achondrieten bekend, goed voor ongeveer 4,5% van alle meteorieten die op aarde belanden. Een belangrijke doel van het meteorietenonderzoek is uit te zoeken welke klasse van welk ‘moederobject’ afkomstig zou kunnen zijn. Voor de tien klassen van ijzermeteorieten is dat niet mogelijk. Dit zijn delen uit  de kern van een planetoïde. Dat we daar een stuk van hebben zegt dat die planeet of planetoïde niet meer als een intact object in de planetoïdegordel bestaat, maar door meerdere grote inslagen voor een groot deel uiteengevallen is. Voor de andere zeven klassen is men al aardig succesvol in het koppelen van de meteorieten aan een mogelijk hemellichaam in ons zonnestelsel.

Achondrieten met een bekende oorsprong

Er zijn meteorieten gevonden die afkomstig zijn van de maan. Ze bieden een bredere kijk op de maan omdat de Apollo-astronauten slechts van enkele locaties stenen meegebrachten, terwijl  maanmeteorieten van willekeurige plaatsen op het oppervlak afkomstig zijn. Onder de microscoop zijn de maanmeteorieten vrij homogeen en bestaan voor een groot deel (50-90%) uit veldspaten zoals plagioklaas.

Overzicht van achondrieten. (A) Eucriet met naaldachtige plagioklaas kristallen (Tirhert), (B) Grote pyroxeen kristallen van een diogeniet (NWA 4034), (C) Pyroxenen (augiet) en olivijn kristallen in een Mars meteoriet (NWA 998), (D) Plagioklaas (anorthosiet) en smelt ader in Maan meteoriet (NWA 482). Werkelijke afmetingen van het beeldveld in elk van de foto’s is 2,25mm bij 1,5 mm.
Overzicht van achondrieten. (A) Eucriet met naaldachtige plagioklaas kristallen (Tirhert), (B) Grote pyroxeen kristallen van een diogeniet (NWA 4034), (C) Pyroxenen (augiet) en olivijn kristallen in een Mars meteoriet (NWA 998), (D) Plagioklaas (anorthosiet) en smelt ader in Maan meteoriet (NWA 482). Werkelijke afmetingen van het beeldveld in elk van de foto’s is 2,25 mm bij 1,5 mm. (Foto: Zenit/Gert Jan Netjes)

Een andere groep van achondrieten zijn de meteorieten die van Mars afkomstig zijn. Van deze groep was het wat lastiger om hun herkomst te bepalen, aangezien er geen referentiestenen zoals van de maan aanwezig waren. Maar de gasbelletjes in sommige marsmeteorieten bleken dezelfde samenstelling te hebben als de marsatmosfeer zoals gemeten door onder meer de Vikingsondes. Er bestaan drie verschillende soorten Marsmeteorieten en die zijn onder de microscoop erg verschillend. Basaltachtige structuren, fijne structuren en geschokt glas: als gevolg van de complexe geologie van Mars is het gesteente onder de microscoop vergelijkbaar met aardse gesteenten.

Een andere opvallende achondrietgroep is die van de HED-meteorieten: de howardieten, eucrieten en diogenieten. Howardieten zijn een mengvorm (in verschillende verhoudingen) van eucrieten en diogenieten waardoor duidelijk werd dat de drie meteorieten een onderlinge relatie tot elkaar hebben. Aangenomen wordt dat ze afkomstig zijn van de planetoïde Vesta. Het jarenlange vermoeden hiervan is door de ruimtesonde Dawn door het identificeren van  de grote krater Rheasilvia op Vesta en gedetailleerde spectrale waarnemingen grotendeels bevestigd. Toch blijkt de natuur ook hier niet weer van hokjes te houden. De eucrieten kunnen in vijf soorten worden onderverdeeld en het is niet geheel zeker of die alle vijf van Vesta afkomstig zijn. Verder is er een mineralogische relatie tussen sommige eucrieten en de mesosiderieten die nog niet verklaard kan worden op basis van de waarnemingen aan Vesta met aardse telescopen of de satelliet Dawn. De hoop is dat dit raadsel opgelost kan worden met het beschikbaar komen van nieuwe meteorieten uit Afrika en Antarctica, of wellicht een meteoriet die ooit in Nederland neervalt.

Onder de microscoop zijn de HED’s erg goed herkenbare meteorieten, mede dankzij de grote kristallen van de diogenieten, de fijne (basalt) naaldjes van de eucrieten en de brecciestructuur (de mix van versplinterde steen fragmenten) van de howardieten.  De Nederlandse meteoriet Ellemeet/Serooskerke is een diogeniet die van oorsprong afkomstig is van de planetoïde Vesta.

De mesosiderieten en pallasieten, eerder ondergebracht bij de steen-ijzermeteorieten, vallen nu onder de achondrieten en zijn onder de microscoop goed herkenbaar. Pallasieten bestaan bijna half-om-half uit metalen (Fe, Ni) en olivijn, waarbij je het olivijn in de vorm van zeer grote (mm tot cm) kristallen aantreft. Soms zijn de metalen door hun lange aards verblijf omgezet tot het mineraal hematiet. Mesosiderieten bestaan ook half-om-half uit metalen en silicaten, waarbij het metaal vaak in kleine millimetergrote stukjes aanwezig is. Het aandeel silicaat bestaat uit de bekende mineralen olivijn, pyroxeen en veldspaat.

Het belang van vuurbolwaarnemingen

Meteorieten geven met hun mineralen en structuren veel inzicht in de geologische diversiteit van rotsachtige hemellichamen in ons zonnestelsel. Het bestuderen van de verschillende meteorietsoorten heeft zodoende grote wetenschappelijke waarde, omdat hiermee openstaande vragen over planeetvorming en de evolutie van het zonnestelsel beantwoord kunnen worden. Het vinden van nieuwe meteorieten is dan ook van belang om tot nieuwe inzichten te kunnen komen. De vuurbolwaarnemingen die door werkgroepleden worden gedaan, met de daaropvolgende baan- en strooiveldberekeningen, dragen zodoende bij aan het zoeken naar nieuwe meteorieten. Hiervoor verzamelt en verwerkt de werkgroep vuurbolwaarnemingen door leden, maar ook door het publiek (meld je vuurbol hier). Wellicht levert die ene vuurbol een nieuwe meteoriet op die een belangrijk stukje vormt in de geologische puzzel van het zonnestelsel.

Lees verder:


Dit artikel is met toestemming overgenomen en gebasseerd op: Gert Jan Netjes & Sebastiaan de Vet (2016) Astronomie door de microscoop, Zenit, september, p.28-31.