Unter dem Hiawatha-Gletscher im Nordwesten Grönlands liegt ein großer Asteroidenkrater. Eine Datierung ordnet den Einschlag dem späten Paläozän vor rund 58 Millionen Jahren zu. Damit entstand die Struktur lange vor dem grönländischen Eisschild und nicht während der Jüngeren Dryaszeit. Die Altersbestimmung beruht auf Mineralen aus Flusssedimenten unterhalb des Gletschers; ihre Zuordnung zum Krater ist deshalb indirekt.
Am Rand des grönländischen Eisschilds liegt der Asteroidenkrater vollständig unter der Eiskappe. Seine Form wurde zunächst durch Radarflüge sichtbar, seine Entstehungszeit blieb jedoch mehrere Jahre offen. Ein internationales Team um Gavin Kenny vom Schwedischen Naturkundemuseum in Stockholm legte 2022 eine Datierung vor, die frühere Altersannahmen grundlegend veränderte. Mitautoren waren Nicolaj Larsen vom Globe Institute der Universität Kopenhagen und Michael Storey vom Naturhistorischen Museum Dänemarks.
Die Datierungsstudie in Science Advances stützt sich auf winzige Mineralkörner, die Schmelzwasser aus dem Gletscherbett an die Oberfläche transportiert. Besonders aussagekräftig waren Zirkone aus Gesteinsbrocken, die als Impaktschmelzgestein eingeordnet werden. Ihre Kristallstruktur speichert Spuren extremer Druck- und Temperaturbedingungen. Aus diesen Spuren ließ sich das Alter des Einschlags genauer bestimmen als zuvor.
Zunächst entstand die Spur nicht bei einer Bohrung, sondern bei der Auswertung vorhandener Radardaten. Im Sommer 2015 fiel Forschern eine große kreisförmige Senke in einer Karte des Untergrunds von Grönland auf. Darin steckten Messungen aus NASA-Flugkampagnen, darunter Daten der Operation IceBridge. Im Mai 2016 flog ein Forschungsflugzeug des Alfred-Wegener-Instituts über den Hiawatha-Gletscher und erfasste die Struktur mit einem eigens dafür eingesetzten Eisradar.
Während des Flugs sammelte das Forschungsflugzeug auf mehreren Linien insgesamt rund 1.600 Kilometer neue Radardaten. Mit Radarwellen durchdrangen die Messungen das Eis und zeichneten die Form des darunterliegenden Felsbetts auf. 2018 veröffentlichte das Team um Kurt Kjær die Entdeckung in Science Advances. Eine NASA-Meldung zur Entdeckung beschreibt, wie NASA-Daten den ersten Hinweis lieferten und die AWI-Flugmessung die Struktur anschließend genauer abbildete.
Auf den Radarprofilen erscheint eine annähernd kreisrunde Senke mit erhöhtem Rand und zentraler Erhebung. Der Durchmesser beträgt 31,1 Kilometer, die Unsicherheit liegt bei 0,3 Kilometern und damit deutlich unter einem Kilometer. Vom Kraterrand bis zum Boden misst die Struktur 320 ± 70 Meter, wobei die Messunsicherheit vergleichsweise groß bleibt. In der Mitte ragen mehrere Felsrücken bis zu 50 Meter über den umliegenden Untergrund auf; gemeinsam bilden sie eine zentrale Hebung von bis zu acht Kilometern Breite.
Über dem Felsbett liegen stellenweise bis zu 930 Meter Eis, die Radarwellen noch durchdringen können. An der Oberfläche zeichnet sich die Struktur trotzdem indirekt ab: Der Gletscher bildet dort einen halbrunden Eisrand, der über die sonst geradere Begrenzung des Eisschilds hinausragt. Eis fließt durch eine Öffnung im nordwestlichen Kraterrand ab und formt die Zunge des Hiawatha-Gletschers. Die Landschaft wirkt deshalb nicht wie eine frei liegende Einschlagmulde, sondern wie ein Gletscher, dessen Verlauf von einer verborgenen Senke geprägt wird.
Auch dieser Fund passt zu einer größeren Entwicklung der Polarforschung. Flugradar macht Täler, Becken und frühere Flusssysteme sichtbar, die unter kilometerdickem Eis verborgen liegen. Beim Hiawatha-Krater reicht die Information bis zu einer kreisförmigen Struktur mit Rand und Zentralhebung. Ähnliche geophysikalische Verfahren helfen auch bei anderen überdeckten Einschlagstrukturen: Der Silverpit-Krater in der Nordsee liegt beispielsweise unter Sedimenten und wurde ebenfalls anhand geologischer Messdaten untersucht.
Eine kreisrunde Senke allein beweist noch keinen Asteroideneinschlag, denn auch andere Prozesse können ähnliche Formen erzeugen. Auch vulkanische oder glaziale Prozesse können Becken und runde Formen erzeugen. Für Hiawatha kamen deshalb geologische Hinweise aus dem Gelände hinzu, die den Radarbefund unabhängig ergänzten. Forscher untersuchten Gestein am eisfreien Rand des Gletschers und sammelten Sand aus dem Fluss, der Wasser aus dem verborgenen Becken abführt.
In diesem Sand fanden sie Quarzkörner mit sogenannten planaren Deformationsmerkmalen. Dabei handelt es sich um sehr feine, parallele Strukturen im Kristallgitter, die bei extrem hohen Stoßdrücken entstehen. Mehrere unterschiedlich ausgerichtete Ebenenscharen erkannten die Forscher in einzelnen Körnern. Solche Merkmale gelten als eindeutiger Hinweis auf eine starke Schockwelle und unterscheiden Einschläge von vielen gewöhnlichen geologischen Vorgängen.
Zusätzlich enthielt das Sediment glasige und teilweise wieder kristallisierte Körner. Ihre Zusammensetzung und ihre mikroskopischen Strukturen sprechen dafür, dass sie beim Einschlag aus dem örtlichen Gestein aufgeschmolzen wurden. Einige Fragmente bestehen aus Impaktschmelzgestein, also Material, das durch die plötzliche Druck- und Hitzebelastung eines Einschlags entstand und anschließend erstarrte. Geochemische Analysen der Sedimentkörner deuten darauf hin, dass der Hiawatha-Krater von einem Eisenasteroiden verursacht wurde, der mehr als einen Kilometer groß gewesen sein muss.
Große Gesteinsblöcke aus dem Krater liegen allerdings nicht direkt an der Fundstelle vor. Der Fluss transportiert Material aus dem Untergrund durch einen Durchbruch im Kraterrand nach draußen. 2016 sammelte das Team Sand aus einer aktiven Schwemmebene nahe der Gletscherzunge. Weitere Gesteinsbrocken kamen 2019 von einem Flussufer etwa vier Kilometer unterhalb des Gletscherendes. Der vermutete Rand des Kraters liegt weniger als zehn Kilometer von dieser Fundstelle entfernt.
Diese Transportwege sind für die Datierung wichtig, denn die Proben stammen nicht direkt aus dem Kraterinneren. Ihre Herkunft müssen die Wissenschaftler deshalb anhand von Mineralbestand, Gesteinsstruktur und geologischer Umgebung erschließen. Die Merkmale sprechen für einen Ursprung im Hiawatha-Krater, den die Autoren als einfachste Erklärung bewerten.
Für die Altersbestimmung untersuchte das Team Zirkonkristalle aus den Impaktschmelzbrocken. Zirkon kann Uran in sein Kristallgitter einbauen, während Blei bei der ursprünglichen Kristallbildung kaum aufgenommen wird. Uran zerfällt mit einer bekannten Geschwindigkeit zu Blei; das Verhältnis beider Elemente dient deshalb als geologische Uhr, sofern spätere Veränderungen der Kristalle richtig eingeordnet werden.
Im Impaktschmelzgestein fanden sich zwei unterschiedliche Gruppen von Zirkonen. Einige Kristalle waren weitgehend unversehrt und bewahrten das Alter des ursprünglichen Zielgesteins. Andere zeigten poröse oder körnig rekristallisierte Bereiche, die mit dem extremen Druck des Einschlags zusammenhängen. Insgesamt analysierten die Forscher 45 Messpunkte an 28 solcher veränderten Zirkone. Neun besonders gut zusammenpassende Messwerte ergaben ein Alter von 57,99 ± 0,54 Millionen Jahren.
Dieser Wert ist die robusteste Altersangabe der Untersuchung und wird von den Autoren als bestes Einschlagsalter bewertet. Er beschreibt nicht das Alter des gesamten Gesteins unter dem Gletscher, sondern die durch den Einschlag veränderten Zirkone im Schmelzgestein. Unveränderte Zirkone aus denselben Proben lieferten dagegen ein Alter von 1.915 ± 8 Millionen Jahren. Dieser Wert stimmt mit bekannten Gesteinen aus der Umgebung überein und hilft den Forschern, die Herkunft des Materials einzugrenzen.
Zusätzlich prüfte eine zweite Methode Sandkörner mit der Argon-Argon-Datierung. Dabei wird gemessen, wie sich Argon-Isotope in Mineralen beim Erhitzen freisetzen. Von 50 untersuchten Körnern lieferten viele komplizierte Altersverläufe; statistisch robuste Plateaualter erreichte keines. Zwei Körner zeigten kleinere Plateauabschnitte aus dem späten Paläozän, und die Mehrzahl der aussagekräftigen Mindestalter lag ebenfalls in diesem Zeitabschnitt. Das stützt den Zirkonbefund, ist aber weniger eindeutig als die U-Pb-Datierung.
Auch bei anderen Einschlagskratern kommen Zirkone als geologische Zeitmesser zum Einsatz. Der Ames-Krater in Oklahoma wurde ebenfalls mithilfe von Zirkondatierungen zeitlich eingeordnet. Beim Hiawatha-Krater war die Kombination aus veränderten und unversehrten Kristallen besonders nützlich, weil sie sowohl den Einschlag als auch das ältere Ausgangsgestein erkennen ließ.
Das damalige Klima unterschied sich grundlegend von den heutigen Bedingungen in Grönland. Der Einschlag ereignete sich im späten Paläozän, lange bevor sich der heutige grönländische Eisschild bildete. Die Region war damals eisfrei und gehörte zu einer deutlich wärmeren, bewaldeten Arktis. Pflanzenfossilien aus der Arktis, darunter Funde auf Ellesmere Island jenseits der Nares-Straße, belegen ausgedehnte Nadelwälder in hohen nördlichen Breiten.
Solche Vegetationsnachweise helfen auch, ältere Funde aus dem Gletscherfluss neu einzuordnen. In den Sedimenten wurden Holzkohlepartikel und organischer Kohlenstoff entdeckt, die zunächst mit jüngeren Ablagerungen in Verbindung gebracht worden waren. Nach der neuen Datierung können solche Bestandteile aus dem Paläozän stammen, sofern sie tatsächlich zum Einschlagsmaterial gehören. Fossile Pflanzenreste aus der weiteren Arktis liefern dafür eine plausible Quelle für den organischen Kohlenstoff im Flusssediment.
Damit endet zugleich eine lange diskutierte Möglichkeit, die unmittelbar nach der Entdeckung im Raum stand. Damals hielten die Forscher einen Einschlag nach Beginn der pleistozänen Vereisung vor etwa 2,6 Millionen Jahren zunächst für denkbar. Auch eine Verbindung mit der Jüngeren Dryaszeit vor rund 12.900 Jahren war spekuliert worden. Das neue Alter liegt jedoch viele Millionen Jahre davor und schließt beide Szenarien aus.
Angesichts seiner ungewöhnlich guten Erhaltung wirkte ein jüngeres Alter zunächst plausibel. Gletschereis trägt Gestein ab und kann alte Einschlagspuren über lange Zeit abschleifen. Die Struktur unter Hiawatha besitzt dennoch einen erkennbaren Rand und eine zentrale Erhebung. Die Struktur galt deshalb zunächst als vergleichsweise jung; die spätere Datierung zeigt, dass ihre Form über einen sehr langen Zeitraum durch Erosion verändert wurde.
Im Vergleich zu einem frischen Krater gleicher Größe ist die Hiawatha-Struktur auffallend flach. Modelle erwarten für einen unbedeckten Einschlagskrater mit diesem Durchmesser eine deutlich größere Tiefe. Heute beträgt die gemessene Tiefe von Rand bis Boden nur einige hundert Meter und liegt deutlich unter der theoretischen Erwartung. Langfristige Abtragung und möglicherweise Sedimente, die den Kraterboden auffüllen, erklären nach Auffassung der Autoren den Unterschied.
Exakte Bilanzierungen bleiben allerdings schwierig, weil wichtige Teile der Struktur unter dem Eis verborgen bleiben. Die ursprüngliche Tiefe und die Dicke möglicher Ablagerungen am Boden bleiben deshalb unbekannt. Anhand der heutigen Form können die Autoren nur unter bestimmten Annahmen berechnen, wie viel Material seit dem Einschlag abgetragen wurde. Unter dieser Annahme entspräche die Abtragung rund 500 Metern; die Autoren stufen diesen Wert ausdrücklich als unsicher ein.
Langfristige Veränderungen sind auch für die Deutung anderer Strukturen unter dem grönländischen Eis relevant. Große Täler, Becken und Seen können älter sein als die heutige Eisbedeckung vermuten lässt. Ein Gletscher überformt den Untergrund, löscht aber nicht zwangsläufig jede ältere Landschaft aus. Der Hiawatha-Krater liefert dafür ein besonders großes Beispiel, weil seine Form sowohl im Radarbild als auch indirekt an der Eisoberfläche erkennbar bleibt.
Der Einschlag fällt zeitlich in die Nähe einer Phase, die Geologen als Paläozän-Kohlenstoffisotopenmaximum bezeichnen. In dieser Phase veränderten sich die Kohlenstoffisotope in Sedimenten weltweit. Eine zeitliche Nähe reicht jedoch nicht aus, um den Krater als Ursache oder Auslöser dieser Veränderung einzuordnen. Dafür fehlt bislang eine Auswurf-Lage, die den Einschlag eindeutig mit bestimmten Sedimentschichten verbindet und als zeitlicher Marker dienen könnte.
Zudem grenzt die Studie zwei andere geologische Ereignisse ausdrücklich ab, die zeitlich zunächst naheliegend erscheinen könnten. Zeitlich liegt der Einschlag vor dem Paläozän-Eozän-Temperaturmaximum, das mit der Grenze zwischen beiden Erdzeitaltern verbunden ist. Ebenso ist er nicht mit dem großen Flutbasalt-Vulkanismus in Ostgrönland verknüpft. Ob der Einschlag lokale oder globale Folgen für Klima und Ökosysteme hatte, bleibt offen und erfordert weitere Funde.
Neben Hiawatha beschrieben Forscher einen möglichen zweiten großen Einschlagskrater unter dem Eis im Nordwesten Grönlands. MacGregor und Kollegen beschrieben 2019 eine rund 36,5 Kilometer breite Struktur, etwa 183 Kilometer südöstlich des Hiawatha-Kraters. Die Autoren halten einen Einschlagsursprung für wahrscheinlich, betonen aber, dass eine endgültige Bestätigung direkte Proben erfordern würde. Beide Strukturen gelten deshalb nicht als nachgewiesenes Paar und dürfen nicht als gemeinsames Ereignis dargestellt werden.
Für Hiawatha bleibt die U-Pb-Datierung der Zirkone der belastbarste zeitliche Befund. Sie beruht auf Mineralen, die der Fluss aus dem verborgenen Untergrund herausträgt, und auf einer geologischen Zuordnung, die die Autoren als einfachste Erklärung bewerten. Erst eine künftige Bohrung könnte Material direkt aus dem Kraterboden liefern und offene Fragen zu seiner Füllung, Erosion und möglichen Umweltfolgen genauer beantworten.
Kenny, G. G. et al., Science Advances, A Late Paleocene age for Greenland’s Hiawatha impact structure; doi:10.1126/sciadv.abm2434
Kjær, K. H. et al., Science Advances, A large impact crater beneath Hiawatha Glacier in northwest Greenland; doi:10.1126/sciadv.aar8173
MacGregor, J. A. et al., Geophysical Research Letters, A Possible Second Large Subglacial Impact Crater in Northwest Greenland; doi:10.1029/2018GL078126
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