8 Minuten
Die meisten natürlichen Diamanten erreichen die Oberfläche eingebettet in einem seltenen, karottenförmigen Vulkanit, dem Kimberlit. Neue Computermodelle der Universität Oslo zeigen, wie winzige Mengen flüchtiger Bestandteile — vor allem Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) — die Chemie und den Auftrieb von Kimberlit-Schmelzen verändern und damit entscheiden, ob diese tiefstammenden Magmen die Kruste durchbrechen und Diamanten an die Oberfläche transportieren können.
Warum Kimberlite wichtig sind: Ein Fenster ins tiefe Erdinnere
Kimberlite sind geologische Besonderheiten. Sie bilden enge, oft zylindrische Schornsteine oder „Time-Kapseln“, die mehr als 150 km unter der Erdoberfläche im Mantel entstehen und oft explosionsartig ausbrechen, mit Aufstiegsgeschwindigkeiten, die lokale Schätzungen zufolge sehr hoch sein können. Da sie Material aus so großen Tiefen zur Oberfläche bringen, enthalten Kimberlite Fragmente von Mantelgestein und wertvolle Minerale — allen voran Diamanten —, die während ihres raschen Aufstiegs eingefangen werden. Dadurch sind Kimberlite für Geowissenschaftler von unschätzbarem Wert: Sie liefern direkte Proben des unteren Mantels und Hinweise zu den Druck‑ und Temperaturbedingungen, die Diamanten auf ihrem Weg zur Oberfläche stabil halten.
Die Untersuchung von Kimberliten hilft, zentrale Fragen der Erdmorphodynamik zu beantworten: Wie transportiert das tiefe Mantelreservoir flüchtige Elemente wie Kohlenstoff und Wasser nach oben? Wie haben sich alte Kratone (stabile, alte lithosphärische Kerne) in ihrer mineralogischen Zusammensetzung entwickelt? Und welche physikalischen Bedingungen sind notwendig, damit eine Schmelze vom Mantel unausgesetzt an die Oberfläche aufsteigen kann? Antworten darauf verbessern unser Verständnis von Mantelprozessen, der globalen Kohlenstoffbilanz und den Bedingungen, unter denen Diamanten erhalten bleiben.
Modellierung flüchtiger Chemie: CO2 und Wasser übernehmen unterschiedliche Funktionen
Ein Forscherteam unter der Leitung von Doktorandin Ana Anzulović nutzte molekulare Dynamik und chemische Modellierung, um das Verhalten einer elterlichen oder proto-Kimberlit‑Schmelze nachzustellen, während sie durch Mantel und Kruste aufsteigt. Als Fallbeispiel wählten die Forscher den Jericho‑Kimberlit im Slave‑Craton Kanadas, ein gut dokumentiertes Vorkommen, das realistische Rahmenbedingungen für die Variation flüchtiger Bestände liefert. Durch systematisches Variieren von CO2‑ und H2O‑Anteilen in der simulierten Schmelze und das Verfolgen von Dichte, Viskosität und Diffusivität quantifizierte das Team den notwendigen volatiletischen Haushalt, damit eine Eruption erfolgreich die mächtige kratonische Lithosphäre durchdringen kann.
Die Modelle zeigen, dass Wasser und Kohlendioxid komplementäre, aber unterschiedliche Wirkungen auf die Schmelze haben. Wasser erhöht die Diffusivität von Ionen und Molekülen in der Schmelze, hält sie dadurch beweglich und verzögert frühzeitige Kristallisation. H2O wirkt damit stabilisierend auf die Fließfähigkeit: Je mehr Wasser eingebunden ist, desto geringer die Neigung, dass die Schmelze beim Aufstieg viskos wird und vorzeitig auskristallisiert.
Kohlendioxid erfüllt dagegen eine andere Schlüsselrolle: Es beeinflusst die Struktur der Schmelze in großen Tiefen und reduziert deren Dichte gegenüber dem umgebenden Peridotitmantel. Nahe der Oberfläche exsolviert CO2 dann aus der Schmelze — es entweicht und bildet Gasphasen, die den Auftrieb verstärken und den explosiven Impuls liefern, der für das Durchbrechen der Kruste nötig ist. Zusammengefasst: H2O hält das Magma fließfähig; CO2 sorgt dafür, dass es aufschwimmt und schließlich die explosive Energie für den Ausbruch liefert.
Wie viel CO2 ist genug?
Eines der konkretesten Ergebnisse der Studie ist eine Schwelle für das Jericho‑System: Damit die elterliche Schmelze ausreichend Auftrieb besitzt, um sich durch die dicke kratonische Lithosphäre zu erheben, muss sie mindestens einen CO2‑Anteil von rund 8,2 % aufweisen. Unterschreitet die Schmelze diesen volatiletischen Anteil, wird sie nach den Modellrechnungen dichter als der umgebende kratonische Mantel und kann im Gestein stecken bleiben; in diesem Fall bliebe auch der Diamanttransport hinter der Kruste aus und die Diamanten würden in größeren Tiefen eher zu Graphit rekristallisieren.
Bereits bei moderaten CO2‑Anteilen kann die Schmelze jedoch enorme Mengen an Mantelmaterial mitreißen: Das volatilreichste Modell der Forscher zeigte, dass bis zu 44 % Mantelperidotit als Xenolithe und Xenokristalle im Aufstieg mitgeführt werden konnten. Diese hohe Fremdstofffracht erklärt, warum Kimberlit‑Eruptionen charakteristisch große Anteile an Mantelfragmenten enthalten und warum die physikalische Balance zwischen niedriger Viskosität (für schnelleres Fließen) und volatiletisch erzeugtem Auftrieb (für tatsächliches Steigen) so sensibel ist. Diese Balance ist entscheidend dafür, dass Kimberlit‑Magmen sowohl sehr schnell als auch heftig explosiv ausbrechen können.
Aus petrologischer Sicht bedeutet diese Beobachtung auch, dass die Wechselwirkung zwischen Schmelzen und mitgerissenem Mantelmaterial komplexe Rückkopplungen erzeugt: Eingeschleppte Xenolithe verändern lokale Temperatur‑ und Schmelzverhältnisse, liefern zusätzliche Keime für Kristallisation und können gleichzeitig die Dichte der Gemengeschmelze beeinflussen. Modellierungen, die solche Partikelphasen berücksichtigen, liefern daher realistischere Prognosen für Aufstiegsdynamik und Eruptivität.
Warum schneller Aufstieg für Diamanten entscheidend ist
Die Stabilität von Diamanten hängt unmittelbar von Druck und Temperatur ab. In den Tiefen des Mantels sind Diamanten stabil; wenn jedoch Druck abnimmt oder Temperatur relativ zur Graphitstabilitätsgrenze steigt, können Diamanten wieder in Graphit umgewandelt werden. Deshalb ist die Geschwindigkeit des Kimberlitaufstiegs von zentraler Bedeutung: Nur wenn ein volatiletisch aufgeladener Kimberlit schnell genug aufsteigt, können eingeschlossene Diamanten zur Oberfläche „geschnürt“ werden, bevor sie zu Graphit rekristallisieren oder durch metasomatische Prozesse verändert werden.
Diese dynamische Anforderung erklärt auch empirische Beobachtungen: Ein großer Anteil—Schätzungen sprechen von mehr als 70 %—der weltweit geförderten natürlichen Diamanten stammt aus Kimberlit‑gehosteten Lagerstätten. Weitere Vorkommen finden sich in alluvialen Ablagerungen, die durch Erosion und Verwitterung Kimberlitlagerstätten über lange Zeiten freilegen; aber die Primärquelle vieler dieser Diamanten bleibt das explosive Kimberlitventil, das Gesteinsfragmente und Minerale aus großer Tiefe transportiert.
Neben Aufstiegsgeschwindigkeit spielen weitere Faktoren eine Rolle für den Erhalt von Diamanten: der chemische Kontext (z. B. Anwesenheit flüchtiger Komponenten, Sauerstofffugazität), die Anfangsgröße und -qualität der Diamanten sowie die Dauer, die sie bei subkritischen Druck‑Temperatur‑Bedingungen verweilen. Quantitative Modelle, die die kinetischen Raten der graphitisierenden Reaktionen mit den Aufstiegsraten koppeln, geben bessere Vorhersagen darüber, welche Vorkommen wirtschaftlich Gewinn bringende Diamanten liefern können.
Diamond mine
Weiterreichende Implikationen und künftige Forschung
Der angewandte Modellierungsansatz verknüpft atomistische Wechselwirkungen mit großskaligen geologischen Prozessen. Indem die Forscher die möglichen Volatilbestände in elterlichen Schmelzen eingrenzen, lassen sich Rückschlüsse ziehen, welche magmatischen Ereignisse der Erdgeschichte tatsächlich in der Lage waren, tiefen Mantelstoff an die Oberfläche zu bringen. Das hat weitreichende Bedeutung über Diamanten hinaus: Es erklärt, wie volatile‑reiche Magmen tiefen Kohlenstoff transportieren, wie Kratone sich chemisch und thermisch über Milliarden Jahre verändern und warum Kimberlit‑Eruptionen räumlich und zeitlich so selten auftreten.
Zukünftige Studien werden voraussichtlich leistungsfähige Simulationen mit detaillierten geochemischen Analysen von Kimberlit‑Xenolithen und isotopischen Untersuchungen kombinieren, um volatiletische Schätzungen über verschiedene Kratone hinweg zu verfeinern. Methoden wie Einschluss‑Petrologie (Melt‑Inclusions), hochauflösende In‑Situ‑Isotopenmessungen und Diffusionschronometrie können helfen, die zeitlichen Abläufe von Aufstieg, Entgasung und Kristallisation besser zu rekonstruieren. Solche verbesserten Beschränkungen könnten auch die Rohstoffexploration unterstützen, indem sie druck‑temperatur‑volatile Fenster hervorheben, in denen diamantführende Eruptionen am wahrscheinlichsten sind.
Darüber hinaus hat die Forschung Bedeutung für das Verständnis des tiefen Kohlenstoffkreislaufs: Kimberlit‑Eruptionen können große Mengen Kohlendioxid aus dem Mantel oberflächennah freisetzen oder umgekehrt Kohlenstoff in tiefe Mantelreservoirs sequestrieren, je nachdem, wie Gasphasen und Feststoffe wechselwirken. Diese Prozesse sind relevant, um langfristige Kohlenstoffflüsse und ihr Potenzial zur Beeinflussung des Klimas über geologische Zeiträume zu bewerten.
Expert Insight
„Modellierung liefert uns die fehlende Verbindung zwischen dem, was wir an der Oberfläche beobachten, und der unsichtbaren Chemie in der Tiefe“, erklärt Dr. Evelyn Mercer, eine Petrologin, die nicht an der Studie beteiligt war. „Die Quantifizierung des CO2‑ und H2O‑Budgets zeigt, warum nur sehr wenige Schmelzen tatsächlich zu eruptiven Kimberliten werden — die meisten Schmelzen stocken und kristallisieren lange bevor sie die Kruste erreichen.“
Diese Ergebnisse verdeutlichen eine grundsätzliche Wahrheit der Erdphysik: Kleine Änderungen in der Zusammensetzung — nur wenige Prozent an flüchtigen Bestandteilen — können spektakuläre, planetenformende Ereignisse steuern. Für Kimberlite bedeutet die richtige Mischung aus CO2 und Wasser, dass aus einer ansonsten unauffälligen Schmelze ein explosives „Aufzugsystem“ entsteht, das für kurze Zeit eine Verbindung zwischen dem tiefen Mantel und der Oberfläche öffnet und so Diamanten und anderes Mantelmaterial zur Erdoberfläche transportiert.
In der Summe liefert die Studie damit nicht nur ein besseres mechanistisches Verständnis von Kimberlit‑Eruptionen und Diamanttransport, sondern auch praktische Ansätze für künftige Feldstudien und Explorationsstrategien, die auf einer quantifizierten Kenntnis der volatiletischen Steuergrößen basieren.
Quelle: scitechdaily
Kommentar hinterlassen