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Eisenmeteorite bestehen im Allgemeinen zu über 90 % aus Nickel-Eisen-Legierungen, wobei es jedoch auch einige Ausnahmen von silikathaltigen Eisenmeteoriten mit deutlich geringeren Metallgehalten gibt. Hauptphasen in Eisenmeteoriten sind Nickel-haltiges alpha-Eisen, das als Kamacit bezeichnet wird (kubisch, Raumgruppe Im3m, Ni-Gehalt 4 – 7,5 %), und Taenit, gamma-(Fe,Ni) mit Ni-Gehalten von üblicherweise 20 – 45 % (kubisch, Raumgruppe Fm3m). Gelegentlich ist auch Tetrataenit, FeNi (tetragonal, Raumgruppe P4/mmm) vorhanden. Neben Einschlüssen von Silikaten treten in Eisenmeteoriten auch Graphit, Troilit, Cohenit, Schreibersit, Nickelphosphid, Diamant, Lonsdaleit und einige weitere Minerale auf.
Eisenmeteorite gehören zu den differenzierten Meteoriten, d.h. sie entstammen Asteroiden, die so stark erhitzt wurden, dass es zu Schmelzprozessen mit anschließender Trennung von Metall- und Silikatphase kam. Dabei bildete sich ein metallischen Kern und ein silikatischer Mantel in dem Körper. Der Asteroid muss groß genug gewesen sein, um eine derartige Aufschmelzung und Differenzierung zu ermöglichen. Die Abkühlungsgeschwindigkeiten variieren je nach Größe und Zusammensetzung und verlaufen auch nicht linear mit der Zeit.
Die Klassifikation der Eisenmeteorite erfolgt nach ihrer Zusammensetzung, dabei werden die Gehalte an Gallium, Germanium, Iridium und Gold berücksichtigt (siehe Tabelle unten). Höhere römische Ziffern bedeuten hier sinkende Spurenelementgehalte. Bei Meteoriten einer Klasse ist eine Herkunft von einem Mutterkörper bzw. eine Bildung unter ähnlichen Bedingungen anzunehmen. Etwa 15 % der Eisenmeteoriten lässt sich keiner der bekannten Klassen zuordnen. Sie werden als ungruppiert geführt. Es wird geschätzt, dass die bisher gefundenen Eisenmeteorite über 60 verschiedene Mutterkörper repräsentieren. Durch spätere Kollisionen oder Impakte wurden diese Körper dann zerstört.
Eine alte Klassifizierung teilt die Eisenmeteorite nach ihrer Struktur in Hexaedrite, Oktaedrite und Ataxite ein.
Hexaedrite bestehen im Wesentlichen aus Kamacit, der Nickel-Gehalt liegt dementsprechend unter 7,5 %. Widmanstättensche Figuren sind nicht vorhanden, einige Hexaedrite weisen jedoch feine, parallele Linien auf, die sogenannten Neumann-Linien. Diese Linien stellen Schock-induzierte Zwillingslamellen dar, die das Resultat von Impakten sind.
Oktaedrite sind die häufigsten Eisenmeteorite. Verwachsungen von Kamacit und Taenit bilden hier die Widmannstättenschen Figuren. Die räumliche Anordnung dieser Verwachsungen folgt den Flächen eines Oktaeders. Die Oktaedrite wurden früher näher nach der Breite der Kamacit-Bänder unterteilt. Widmanstättensche Figuren bilden sich bei einem Ni-Gehalt zwischen etwa 5 - 15 % und Abkühlungsraten von etwa 1 - 200ºC pro Millionen Jahre im Bereich zwischen 700 und 400ºC. Neben Abkühlungsgeschwindigkeit und Ni-Gehalt hat auch der Phosphor-Gehalt einen Einfluss auf die Nickel-Diffusion im Metall und damit auf Ausbildung der Widmanstättenschen Figuren. Auch in Oktaedriten können die schon erwähnten Neumann-Linien auftreten.
Ataxite bestehen hauptsächlich aus Taenit und zeigen im Anschliff nach dem Ätzen keine Widmanstättenschen Figuren. Nur in Form von mikroskopischen Lamellen oder Spindeln kann Kamacit sporadisch vorhanden sein. Der Ni-Gehalt der Ataxite liegt bei über 15 %.
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