New aspects of the Middle-Late Triassic terrestrial impact cratering record : 40Ar/39Ar dating of the Rochechouart (France), Manicouagan (Canada), and Paasselkä (Finland) impact structures, paleoenvironmental considerations, and a critical look at the Late Triassic multiple impact theory

Abstract

This thesis critically addresses the question whether Earth experienced a giant multiple cosmic strike in the Late Triassic ~214 million years (Ma) ago, as postulated by Spray et al. in 1998. According to this theory, the large ~100 km Manicouagan impact structure (Québec, Canada), the ~40 km Lake St. Martin impact structure (Manitoba, Canada), the ~25 km Rochechouart impact structure (France), the ~20 km Obolon impact structure (Ukraine), and the ~9 km Red Wing Creek impact structure (North Dakota, USA) are potential members of a ~4,500 km long impact crater chain, compatible with coeval impact ages available in 1998. However, no geologic evidence for the multiple Late Triassic impact scenario has been presented since that time. In this study, I present new 40Ar/39Ar data for the Rochechouart and Manicouagan impact structures, along with new constraints for the timing of the Obolon impact structure based on paleoenvironmental considerations. The new results are set in the context of recent chronological data available for the Lake Saint Martin impact structure, geochemical data, and the physical background of impact crater chain formation. Furthermore, paleoenvironmental implications are discussed.

40Ar/39Ar dating of sanidine and hydrothermally grown adularia separated from impact-metamorphosed gneiss from the Rochechouart impact structure yielded a Latest Triassic (Rhaetian) combined age of 201 ± 2 Ma (2s), indistinguishable within uncertainty from the age of the Triassic/Jurassic boundary. This new age is within the range of earlier dating results but distinctly younger than the previously obtained 214 ± 8 Ma (Karnian-Norian) age for Rochechouart and, therefore, is in conflict with the Late Triassic multiple impact theory. In agreement with the paleogeographic conditions in the western Tethys domain, the near-coastal to shallow marine Rochechouart impact is compatible with the formation of seismites and tsunami deposits in the latest Triassic of the British Islands and possible related deposits in other parts of Europe. Apparently shocked quartz reported from uppermost Triassic sediments of the Northern Apennines (Italy), as well as an enigmatic spherule layer recently detected in the upper Rhaetian Fatra Formation of the High Tatra Mountains (Slovakia) are discussed as possible distal Rochechouart ejecta. The comparatively small crater size of ~50 km, however, suggests no direct link between the Rochechouart impact and the global mass extinction at the Triassic/Jurassic boundary.

40Ar/39Ar dating of a fine-grained crystalline impact melt rock from the Manicouagan impact structure yielded a Late Triassic (Norian) age of 211 ± 2 Ma (2s) close to the widely cited ages of ~215 Ma. However, a set of precise and well-established U/Pb ages have previously been reported for the Manicouagan impact, and this dating attempt could not improve the impact age estimates.

Recent (U-Th)/He ages obtained for the Lake Saint Martin impact structure suggest a Middle to Late Triassic (Ladinian to Karnian) impact age of ~235-230 Ma. No isotopic ages are available for the Red Wing Creek impact structure, stratigraphically dated at ~220-200 Ma. In addition, palaeogeographic studies have shown that the Obolon impact age is notably younger than previously stated, roughly ~185-170 Ma, placing the impact in the Early-Middle Jurassic. The new dating results for Rochechouart and Manicouagan, together with the recent age estimations for the Lake Saint Martin and Obolon impacts, rule out a ~214 Ma Late Triassic multiple impact event on Earth, and it is suggested that the five impact structures discussed were formed by spatially and temporally individual impact events in Triassic to Jurassic time.

In addition, I present a first detailed petrographic and geochemical description of impact melt rocks from the Paasselkä impact structure, Finland. The degree of shock metamorphism suggests initial whole-rock melting at peak shock pressures of ~35 GPa and post-shock temperatures of up to ~1,500 °C; the geochemical composition of the Paasselkä impact melt rocks is roughly consistent with the compositions of melt rocks from a number of impact structures located within the crystalline basement of the Baltic Shield. 40Ar/39Ar dating of recrystallized feldspar glass particles separated from the impact melt rocks yielded a Middle to Late Triassic (Ladinian-Karnian) age of 229 ± 3 Ma (2s). This new age makes Paasselkä the first known Triassic impact structure dated by isotopic methods on the Baltic Shield. Due to the small crater size, a link between the Paasselkä impact and a postulated Middle/Late Triassic extinction event is unlikely. The new Paasselkä impact age is, within uncertainty, coeval with isotopic ages recently obtained for the Lake Saint Martin impact structure in Canada, indicating a new Middle to Late Triassic impact crater population on Earth.

Diese Arbeit geht der Frage nach, ob die Erde in der späten Trias vor etwa 214 Millionen Jahren (Ma) Zeuge eines kosmischen Mehrfachtreffers wurde, wie dies 1998 von Spray et al. postuliert wurde. Dieser Theorie zufolge gehören die ~100 km große Impaktstruktur von Manicouagan (Québec, Kanada), die ~40 km große Impaktstruktur von Lake St. Martin (Manitoba, Kanada), die ~25 km große Impaktstruktur von Rochechouart (Frankreich), die ~20 km große Impaktstruktur von Obolon (Ukraine) und die ~9 km große Impaktstruktur von Red Wing Creek (North Dakota, USA) einer etwa 4500 km langen Kraterkette an; die im Jahre 1998 gültigen Altersdaten für die jeweiligen Impaktstrukturen stützten diese Theorie. Bisher konnte allerdings noch kein geologischer Beweis für das spättriassische Mehrfachtreffer-Szenario erbracht werden. Darüber hinaus gilt die Bildung von Kraterketten auf der Erde als unwahrscheinlich. In der vorliegenden Arbeit präsentiere ich neue 40Ar/39Ar-Altersdaten für die Impaktstrukturen von Rochechouart und Manicouagan und diskutiere das Alter des Obolon-Einschlags mittels paläogeographischer Studien. Die neuen Datierungsergebnisse werden vor dem Hintergrund neuer Altersdaten für die Impaktstruktur von Lake St. Martin, sowie geochemischer Daten und den himmelsmechanisch-physikalischen Grundlagen der Kraterkettenbildung diskutiert. Darüber hinaus stelle ich Betrachtungen über mögliche Auswirkungen der Impaktereignisse auf die Paläoumwelt an.

Die 40Ar/39Ar-Datierung von Sanidin und hydrothermal gewachsenem Adular aus einem impaktmetamorph überprägten Gneis von Rochechouart ergaben ein spättriassisches Alter von 201 ± 2 Ma (2s) (Rhät), das im Rahmen der Ungenauigkeit mit dem Alter der Trias/Jura-Grenze übereinstimmt. Der neue Alterswert liegt im Rahmen früherer Datierungsergebnisse, ist aber deutlich jünger als das zuletzt vermutete Alter von etwa 214 ± 8 Ma (Karn-Nor) und widerspricht damit der Mehrfachtreffertheorie. Im paläogeographischen Zusammenhang könnte der Rochechouart-Einschlag die Bildung großflächiger Seismit- und Tsunami-Ablagerungen auf den Britischen Inseln und in anderen Teilen der westlichen Tethys zur Zeit der ausgehenden Trias erklären. Mutmaßlich geschockte Quarze in der obersten Trias des nördlichen Apennins (Italien) und eine Sphärulenlage in Trias/Jura-Grenzschichten der Hohen Tatra (Slowakische Republik) werden als mögliche distale Auswurfmassen des Rochechouart-Impakts diskutiert. Der vergleichsweise kleine Kraterdurchmesser von ~50 km legt jedoch nahe, dass der Rochechouart-Einschlag nicht direkt mit dem Massenaussterbe-Ereignis an der Trias/Jura-Grenze im Zusammenhang steht.

Die 40Ar/39Ar-Datierung eines Impaktschmelzgesteins von Manicouagan ergab ein spättriassisches (norisches) Alter von 211 ± 2 Ma (2s), das nahe an den bisher zitierten Datierungsergebnissen um 215 Ma liegt. Angesichts präziser U/Pb-Daten für Manicouagan konnte diese Datierung nicht zur genaueren Eingrenzung des Einschlags-Alters beitragen.

Neue (U-Th)/He-Altersdaten für die Impaktstruktur von Lake St. Martin ergaben ein mittel- bis spättriassisches Impakt-Alter um 235-230 Ma. Für die Impaktstruktur von Red Wing Creek liegen keine isotopischen Altersdaten vor, das Einschlags-Alter kann aber stratigraphisch auf ca. 220-200 Ma eingegrenzt werden. Weiterhin haben paläogeographische Studien gezeigt, dass der Obolon-Einschlag wesentlich später als bisher vermutet, nämlich im frühen bis mittleren Jura vor etwa 185-170 Ma, stattfand. Die neuen Datierungsergebnisse widersprechen einem kosmischen Mehrfachtreffer in der späten Trias; vielmehr zeigen die Ergebnisse an, dass jede der fünf diskutierten Impaktstrukturen sowohl örtlich als auch zeitlich unabhängig voneinander in der Trias und im Jura entstanden sind.

Des Weiteren gebe ich eine erste petrographisch-geochemische Beschreibung von Impakschmelzgesteinen der Impaktstruktur von Paasselkä in Finnland. Die schockmetamorphen Bildungsbedingungen entsprechen denen der initialen Gesamtgsteinsaufschmelzung bei Druckspitzen von über 35 GPa und post-Schock-Temperaturen von bis zu ca. 1500°C. Die Zusammensetzung der Impaktschmelzgesteine ähnelt weitgehend der von Schmelzgesteinen anderer Impaktstrukturen im Kristallin des Baltischen Schildes. Die 40Ar/39Ar-Datierung rekristallisierter Feldspatgläser in den Schmelzgesteinen ergaben ein mittel- bis spättriassisches Alter (Ladin-Karn) von 229 ± 3 Ma (2s). Damit ist der Paasselkä-Krater die erste bekannte nachweislich triassische Impaktstruktur auf dem Baltischen Schild. Auf Grund des kleinen Kraterdurchmessers kann jedoch ein Zusammenhang zwischen dem Paasselkä-Einschlag und einem vermuteten Aussterbeereignis an der Ladin/Karn-Grenze weitgehend ausgeschlossen werden. Im Rahmen der Datierungsungenauigkeit sind die Impaktstrukturen von Paasselkä und Lake St. Martin etwa gleichzeitig entstanden, womit eine bisher unbekannte mittel- bis spättriassische Impaktkrater-"Population" auf der Erde nachgewiesen werden kann.