Schallwellen offenbaren einen riesigen Diamantenspeicher tief im Inneren der Erde

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Laut einer neuen Studie des MIT und anderer Universitäten kann es im Erdinneren mehr als eine Billiarde Tonnen Diamanten geben. Die neuen Ergebnisse dürften jedoch keinen Diamantenrausch auslösen. Die Wissenschaftler schätzen, dass die wertvollen Mineralien mehr als 100 Meilen unter der Oberfläche vergraben sind, viel tiefer als jede Bohrexpedition jemals erreicht hat.

Der ultratiefe Speicher kann in den kratonischen Wurzeln verstreut sein – den ältesten und unbeweglichsten Gesteinsschichten, die unter dem Zentrum der meisten kontinentalen Platten liegen. Geformt wie umgekehrte Berge können sich Kratone bis zu 320 Kilometer durch die Erdkruste bis zum Mantel erstrecken; Geologen bezeichnen ihre tiefsten Abschnitte als “Wurzeln”.

In der neuen Studie schätzen Wissenschaftler, dass kratonische Wurzeln 1 bis 2 Prozent Diamanten enthalten können. Betrachtet man das Gesamtvolumen der kratonischen Wurzeln in der Erde, so schätzt das Team, dass in diesen uralten Felsen etwa eine Billiarde (1016) Tonnen Diamanten verstreut sind, 145 bis 250 Kilometer unter der Oberfläche.

“Das zeigt, dass Diamanten nicht so exotisch sind, sondern auf der geologischen Ebene sogar relativ häufig vorkommen”, sagt Ulrich Faul, ein Wissenschaftler am MIT Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences. “Wir können nicht an sie herankommen, aber dennoch: Es gibt dort viel mehr Diamanten, als wir jemals dachten.”

Ein Geräuschpanne

Faul und seine Kollegen kamen zu ihrem Schluss, nachdem sie über eine Anomalie in seismischen Daten rätselten. In den vergangenen Jahrzehnten haben Organisationen wie die United States Geological Survey globale Aufzeichnungen über seismische Aktivitäten geführt – im Wesentlichen Schallwellen, die durch die Erde ziehen, die durch Erdbeben, Tsunamis, Explosionen und andere erschütternde Quellen ausgelöst werden. Seismische Empfänger auf der ganzen Welt nehmen Schallwellen von solchen Quellen mit verschiedenen Geschwindigkeiten und Intensitäten auf. Seismologen können diese nutzen, um zu bestimmen, wo zum Beispiel ein Erdbeben entstand.

Wissenschaftler können diese seismischen Daten auch dazu verwenden, ein Bild davon zu erstellen, wie das Innere der Erde aussehen könnte. Schallwellen bewegen sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten durch die Erde, abhängig von der Temperatur, Dichte und Zusammensetzung der Gesteine, durch die sie wandern. Wissenschaftler haben diese Beziehung zwischen seismischer Geschwindigkeit und Gesteinszusammensetzung genutzt, um die Arten von Gesteinen abzuschätzen, aus denen die Erdkruste und Teile des oberen Erdmantels bestehen, die auch als Lithosphäre bekannt sind.

Bei der Verwendung von seismischen Daten zur Kartierung des Erdinneren konnten die Wissenschaftler jedoch eine merkwürdige Anomalie nicht erklären: Schallwellen neigen dazu, sich beim Durchgang durch die Wurzeln uralter Kratone signifikant zu beschleunigen. Es ist bekannt, dass Kratone kälter und weniger dicht sind als der umgebende Mantel, was wiederum etwas schnellere Schallwellen ergeben würde, aber nicht so schnell wie das, was gemessen wurde.

“Die von uns gemessenen Geschwindigkeiten sind sehr viel schneller als das, was wir mit vernünftigen Annahmen über das, was da ist, reproduzieren können”, sagt Faul. “Dann müssen wir sagen: Es gibt ein Problem.” So begann dieses Projekt. “

Diamanten in der Tiefe

Das Team zielte darauf ab, die Zusammensetzung der kratonischen Wurzeln zu identifizieren, die die Spitzen der seismischen Geschwindigkeiten erklären könnten. Zu diesem Zweck verwendeten Seismologen des Teams zuerst seismische Daten aus dem USGS und anderen Quellen, um ein dreidimensionales Modell der Geschwindigkeiten seismischer Wellen zu erzeugen, die durch die großen Kratone der Erde ziehen.

Als nächstes haben Faul und andere, die in der Vergangenheit Schallgeschwindigkeiten durch viele verschiedene Arten von Mineralien im Labor gemessen haben, dieses Wissen verwendet, um virtuelle Gesteine ​​zu synthetisieren, die aus verschiedenen Kombinationen von Mineralien hergestellt wurden. Dann berechnete das Team, wie schnell Schallwellen durch jedes virtuelle Gestein wandern würden, und fand nur eine Art von Gestein, das die gleichen Geschwindigkeiten erzeugte wie die Seismologen: eines, das 1 bis 2 Prozent Diamant enthält, zusätzlich zu Peridotit (dem vorherrschenden Gesteinstyp des oberen Erdmantels) und geringe Mengen an Eklogit (subduzierte ozeanische Kruste). Dieses Szenario repräsentiert mindestens 1.000 Mal mehr Diamanten, als man zuvor erwartet hatte.

“Diamant ist in vielerlei Hinsicht etwas Besonderes”, sagt Faul. “Eine seiner besonderen Eigenschaften ist, dass die Schallgeschwindigkeit in Diamanten mehr als doppelt so schnell ist wie in dem dominierenden Mineral in den oberen Erdschichten, Olivin.”

Die Forscher fanden heraus, dass eine Gesteinszusammensetzung von 1 bis 2 Prozent Diamant gerade genug wäre, um die höheren Schallgeschwindigkeiten zu erzeugen, die die Seismologen gemessen haben. Dieser kleine Anteil an Diamant würde aber nicht die Gesamtdichte eines Kratons verändern, der natürlich weniger dicht ist als der umgebende Mantel.

“Sie sind wie Holzstücke, die auf dem Wasser treiben”, sagt Faul. “Kratone sind ein wenig weniger dicht als ihre Umgebung, so dass sie nicht zurück in die Erde subduziert werden, sondern auf der Oberfläche schweben. Auf diese Weise konservieren sie die ältesten Gesteine. Also haben wir herausgefunden, dass man nur 1 bis 2 Prozent Diamantanteil in Kratonen benötigt, um stabil zu sein und nicht abzusinken. “

Diamant von etwa 1,8 Karat (6 mm) in Kimberlit aus der „Finsch Diamond Mine“, Südafrika.
(Foto: StrangerThanKindness – Eigenes Werk, CC BY 3.0, https://bit.ly/2K6z6kW)

“In gewisser Weise  ergeben kratonische Wurzeln, die teilweise aus Diamanten bestehen, einen Sinn.”, so Fault. Diamanten werden in der Hochdruck- und Hochtemperaturumgebung der tiefen Erde geschmiedet und nur durch Vulkanausbrüche, die alle paar zehn Millionen Jahre auftreten, nahe an der Oberfläche transportiert. Diese Eruptionen bilden geologische “Rohre” aus einem Gestein namens Kimberlit (benannt nach der Stadt Kimberley, Südafrika, wo die ersten Diamanten in dieser Art von Gestein gefunden wurden). Diamanten können zusammen mit Magma aus der Tiefe der Erde durch Kimberlit-Rohre an die Oberfläche der Erde gelangen.

Meist wurden Kimberlitpfeifen an den Rändern kratonischer Wurzeln gefunden, wie in bestimmten Teilen Kanadas, Sibiriens, Australiens und Südafrikas. Es würde also Sinn machen, dass kratonische Wurzeln Diamanten in ihrer Zusammensetzung enthalten.

“Es sind Indizien, aber wir haben alles zusammengefügt”, sagt Faul. “Wir haben alle möglichen Möglichkeiten aus jedem Blickwinkel durchgespielt, und dies ist die einzige, die als vernünftige Erklärung übrig geblieben ist.”

Veröffentlichung: Joshua M. Garber, Satish Maurya, Jean-Alexis Hernandez, Megan S. Duncan, Li Zeng, Hongluo L. Zhang, Ulrich Faul, Catherine McCammon, Jean-Paul Montagner, Louis Moresi, Barbara A. Romanowicz, Roberta L. Rudnick, Lars Stixrude. Multidisciplinary Constraints on the Abundance of Diamond and Eclogite in the Cratonic Lithosphere. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2018; DOI: 10.1029/2018GC007534

Quelle: off. Pn des Massachusetts Institute of Technology

Titelbildunterschrift: Diamant von etwa 1,8 Karat (6 mm) in Kimberlit aus der „Finsch Diamond Mine“, Südafrika. (Foto: StrangerThanKindness – Eigenes Werk, CC BY 3.0, https://bit.ly/2K6z6kW)

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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.