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Nickel-rich inclusions trapped in superdeep diamonds
Diamanten, die in der Voorspoed-Mine in Südafrika geborgen wurden, enthalten Nickel-Eisen-Metall sowie nickelreiche Karbonat-Einschlüsse, die eine Reihe von Reaktionen dokumentieren, die sich in etwa 300–470 km Tiefe unter der Erdoberfläche abspielten. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Yael Kempe und Yaakov Weiss (Hebrew University of Jerusalem) identifizierte nano- und mikrogroße metallische Legierungen und Karbonatphasen, die in Diamanten konserviert sind und deren Entstehung im tiefen oberen Mantel beziehungsweise in der flachen Übergangszone stattfand. Die Entdeckung nickelreicher Metalllegierungen in diesen südafrikanischen Diamanten liefert die lang erwartete, direkte Bestätigung von theoretisch vorhergesagten Mantelreaktionen und eröffnet neue Einblicke in die Prozesse, die sowohl Magmen als auch die Diamanten selbst formen.
Scientific background and methods
Der Erdmantel ist chemisch dynamisch: Er konvektiert, transportiert flüchtige Bestandteile und tauscht Material mit der Kruste aus. Ein zentraler, aber schwer direkt messbarer Parameter ist der Redoxzustand des Mantels — das relative Gleichgewicht zwischen oxidierten und reduzierten Spezies. Dieser beeinflusst die Stabilität von Mineralen, die Art der vorkommenden flüchtigen Komponenten (z. B. Kohlenstoff- und Schwefelverbindungen) und damit die Zusammensetzung von Magmen. Hochdruck-Experimente und thermodynamische Modelle hatten bereits lange vorhergesagt, dass nickelreiche metallische Legierungen in Hunderten von Kilometern Tiefe stabil sein können; jedoch fehlten bislang eindeutige natürliche Belege, die diese Vorhersagen direkt stützen.
Weiss und seine Kolleginnen und Kollegen setzten hochauflösende Elektronenmikroskopie und spektroskopische Verfahren am Nanocenter der Hebrew University sowie in partnerlaboratorien (University of Nevada, University of Cambridge) ein, um Nanoinklusionen in Voorspoed-Diamanten detailliert zu kartieren und zu analysieren. Druckempfindliche Einschlüsse wie Coesit, kaliumreiche aluminiumhaltige Phasen und molekular gebundenes Stickstoffmaterial lieferten wichtige Druck- und Temperaturgrenzen, die auf Entstehungstiefen von ungefähr 280 bis 470 km hindeuten. Diese Kombination aus mineralogischen Druckindikatoren und nanoskaliger chemischer Analyse stützt eine tiefmantelige Herkunft der eingeschlossenen Materialien und erlaubt eine Rekonstruktion der physikochemischen Bedingungen zum Zeitpunkt der Einschlussbildung.
Key discovery: redox-freezing and reaction snapshots
Die Koexistenz von Nickel-Eisen-Metall und nickelreichen Karbonaten innerhalb desselben Diamanten deutet auf einen lokal begrenzten metasomatischen Prozess hin, der als Redox-Freezing beschrieben wird. In diesem Szenario drang ein oxidiertes, karbonatitisch‑bis‑silicatreiches Schmelzeinjektat in reduziertes, metallführendes Peridotit ein. Eisen wurde dabei bevorzugt oxidiert und in die Schmelze überführt, wodurch das verbleibende Metall quantitativ und qualitativ in Nickel angereichert wurde; gleichzeitig kristallisierten nickelreiche Karbonate oder wurden teilweise reduziert, sodass Kohlenstoff in Form von Diamant abgeschieden wurde. Solche zeitlich eng begrenzten Reaktionsfenster führen zu einem fossilisierten chemischen Zustand, der in den Diamanten konserviert bleibt.
„Diese Diamanten fungieren als mikroskopische Zeitkapseln“, erklärte Weiss und beschrieb damit, wie sowohl Ausgangsstoffe als auch Reaktionsprodukte eingeschlossen wurden, bevor eine neue Gleichgewichtslage mit dem umgebenden Mantelgestein erreicht werden konnte. Das Ergebnis ist die erste natürliche Bestätigung der Existenz nickelreicher Legierungen in den von Modellen vorhergesagten Tiefen und damit eine wichtige Validierung von Theorien zum Redoxverhalten des Mantels. Darüber hinaus liefern die morphologischen und chemischen Eigenschaften der Inklusionen Hinweise auf Reaktionskinetik, Phasensequenzen und auf die Rolle von Fluideinflüssen während des Metasomatismus.
Implications for mantle dynamics and magmatism
Die winzigen Einschlüsse haben weitreichende Implikationen für unser Verständnis der Manteldynamik und der Magmagenese. Lokalisierte Oxidationsereignisse infolge von Schmelzeninfiltration können kleine Manteldomänen schaffen, die relativ reich an Flüchtigkeiten und Karbonaten sind; diese Bereiche sind potentielle Ausgangsreservoire für Flüchtigkeitsreichen Magmen wie Kimberlite oder Lamprophyre. Solche Magmen können schnell aus mehreren hundert Kilometern Tiefe aufsteigen und dabei Diamanten transportieren, wodurch ein direkter Zusammenhang zwischen tiefen Redoxprozessen und der Bildung sowie dem Aufstieg diamantführender Magmen entsteht. Durch die Analyse der Zusammensetzung der Inklusionen lassen sich Aussagen treffen über die Entwicklung von Magmen — etwa wie stark ein Magma durch Mantelmetall angereichert oder oxidiert worden war, bevor es aufgestiegen ist.
Technisch gesehen zeigen die Befunde auch, wie Mantelheterogenität in kleinen Skalen (Meter bis Kilometer) entsteht und dauerhaft wird. Wenn Schmelzen periodisch oder episodisch eindringen, können sie lokale chemische Gradienten erzeugen, die nicht sofort homogenisiert werden. Solche Gradienten beeinflussen die Schmelzanfälligkeit des Mantelmaterials, seine physikalischen Eigenschaften (wie Schmelzpunkt oder Viskosität) und damit die Wahrscheinlichkeit explosiver versus ruhiger Eruptionen an der Oberfläche. Insbesondere die Präsenz nickelreicher Metalllegierungen kann die Schmelztemperatur und die Schmelzproduktivität beeinflussen, da Metalle wie Nickel und Eisen die Schmelzgeometrie und die Löslichkeit von flüchtigen Komponenten verändern.
Broader geochemical links
Wenn metasomatische Oxidationsereignisse episodisch und räumlich ungleich verteilt sind, erklärt das die Beobachtung, dass einige supertiefe Diamantinschlüsse höhere Sauerstoffpartialdrücke (Oxygen Fugacity) aufweisen als das umgebende Mantelmaterial. Eine Anreicherung von Kalium, Karbonaten und anderen inkompatiblen Elementen während Redoxereignissen kann kleine Manteldomänen dafür prädisponieren, flüchtigkeitsreiche und potenziell explosive Schmelzen zu erzeugen. Solche Domänen fungieren gewissermaßen als Startlöcher für Kimberlit-ähnliche Schmelzen, die durch ihre hohe Flüchtigkeit und ihren schnellen Aufstieg die Preservierung tiefer Einschlüsse in Diamanten begünstigen.
Zusätzlich erlauben die gefundenen Phasen Rückschlüsse auf den Kohlenstoffkreislauf im Erdinneren: Karbonate in dieser Tiefe sind ein Hinweis auf tiefe Kohlenstoffreservoire, die mit tektonischen Prozessen, subduzierten Materialien oder Primordialbestandteilen des Erdmantels verknüpft sein können. Die Interaktion zwischen oxidierenden Schmelzen und reduzierenden Mantelmaterialien bestimmt dabei, ob Kohlenstoff in Form von Karbonaten, elementarem Kohlenstoff (z. B. Diamond) oder als Kohlenmonoxid beziehungsweise Methan vorliegt — und dies hat direkten Einfluss auf die Chemie aufsteigender Magmen.
Conclusion
Die Voorspoed-Diamanten liefern einen seltenen und direkten Nachweis tiefmanteliger Redoxreaktionen und bestätigen langjährige Vorhersagen über die Stabilität nickelreicher Legierungen in hunderten Kilometern Tiefe. Indem sie sowohl Metall- als auch Karbonatphasen konservieren, veranschaulichen diese Diamanten eindrücklich, wie Schmelz‑Gestein‑Interaktionen die Chemie des Mantels verändern und die flüchtigen Reservoirs anreichern können, die später Kimberlite und andere magmatische Produkte speisen. Als mineralische Zeitkapseln eröffnen Diamanten damit einen einzigartigen Blick auf bislang verborgene Prozesse im Erdinneren — von der Entstehung lokaler Redox‑Heterogenitäten bis zu den Mechanismen, die Diamanten in die Nähe der Oberfläche transportieren. Für die Forschung bedeutet dies nicht nur die Bestätigung theoretischer Modelle, sondern auch neue Ansätze, wie man Mantelprozesse in Raum und Zeit rekonstruieren kann, etwa durch kombinierte nanoskalige Analysen, experimentelle Reproduktionsversuche und geodynamische Modellierung. Insgesamt stützen diese Befunde die Idee eines komplexen, räumlich und zeitlich variablen Mantels, dessen lokale Chemie entscheidend für Magmenbildung, diamantführende Transporte und die großmaßstäbliche evolutionäre Entwicklung der Erde ist.
Quelle: sciencedaily
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