Ob sie in einem Verlobungsring oder einer antikem Collier zu finden sind, Diamanten erzeugen meist schnelle Reaktionen bei ihren Empfängern. Nun zeigen neue Forschungen, dass schnelle Reaktionen zwischen subduzierten tektonischen Platten und dem Mantel in bestimmten Tiefen für die Erzeugung der wertvollsten Diamanten verantwortlich sein können.
Die weltweit am häufigsten abgebauten Diamanten entstehen im Erdmantel in einer Tiefe von etwa 150-250 Kilometern. Sie entstehen durch extremen Druck und eine Temperatur von mindestens 1050 Grad Celsius. Nur eine kleine Menge dieser Diamanten gelangt in abbaubare Regionen, da die meisten in der Erdkruste aufgrund tiefer Vulkanausbrüche zerstört werden.
Aber ein winziger Teil der abgebauten Diamanten, die als sublithosphärische oder supertiefe Diamanten bezeichnet werden, entstehen in viel tieferen Tiefen als andere, meist in zwei reichhaltigen Zonen in Tiefen von 250-450 Kilometern und 600-800 Kilometern. Diese Diamanten zeichnen sich durch ihre Zusammensetzung aus, die gelegentlich die Stoffe aus der tiefen Erde wie Majoritgranat, Ferropericlase und Bridgmanit enthält.
“Obwohl sie nur 1 Prozent der insgesamt abgebauten Diamanten ausmacht, sieht es so aus, als ob viele große und hochreine Diamanten supertiefe Diamanten sind, so dass sie einen hohen Wert als Edelsteine haben”, sagte Feng Zhu, der Hauptautor der neuen Studie in Geophysical Research Letters, einer Zeitschrift der American Geophysical Union, der bei der Durchführung der Forschung ein Post-Doc-Geologieforscher an der University of Michigan war.
Keine frühere Theorie hat den Hintergrund vollständig aufgeklärt, warum nur sehr wenige Diamanten in der Nähe der Oberfläche aus dem Gebiet in einer Tiefe von 450-600 Kilometern gefunden wurden – der Region zwischen den Zonen, in denen die meisten supertiefen Diamanten gebildet werden.
Die neue Studie versucht, dieses Phänomen zu erklären. Zhu, heute Postdoc-Forscher an der University of Hawaii, und seine Kollegen glauben, dass die beiden supertiefen Bereiche, in denen Diamanten gebildet werden, aufgrund der hohen Produktionsraten reich an Edelsteinen sind. Die neue Studie erklärt, was die diamantproduzierende Reaktion in einigen Bereichen antreibt und was sie in anderen Bereichen verlangsamt.
Diamantenbildung
Diamanten können sich laut den Autoren überall im Mantel bilden, der sich zwischen etwa 35 und 2.890 Kilometern unter der Erdoberfläche erstreckt. Allerdings sehen Menschen nur selten die meisten der gebildeten Diamanten. Nur sehr wenige Diamanten überleben die vulkanische Reise zur Erdkruste, wo wir sie abbauen können.
Das bedeutet, dass die Chancen, Diamanten aus tiefen Regionen des Mantels zu finden, die verhältnismäßig wenige der Juwelen hervorbringen, extrem gering sind. Nur 1 Prozent der abgebauten Diamanten stammen aus supertiefen Regionen.
In unserer Hypothese ist die Produktion von Diamanten in jeder Tiefe des Mantels möglich, nur die Produktionsrate ist unterschiedlich, so dass sie eine andere Chance haben, in der Kruste abgebaut zu werden”, sagte Zhu.
Diamanten erzeugen
Um den extremen Druck nachzuahmen, der tief im Inneren des Planeten herrscht, verwendeten die Autoren der Studie Diamantambosszellen und einen 1.000 Tonnen schweren Multi-Amboss-Apparat an der University of Michigan. Beide Geräte ermöglichen es Forschern, Material im Submillimeterbereich unter extremen Drücken zu verdichten. Sie komprimierten Magnesiumcarbonatpulver mit Eisenfolie bei extremen Temperaturen und schafften es, winzige Diamantkörner herzustellen, die unter dem Rasterelektronenmikroskop sichtbar waren.
Sie fanden heraus, dass sich Diamantkörner unter richtigen Bedingungen im Abstand von ein paar Minuten bis hin zu einigen Stunden formen können, obwohl das Wachstum von Edelsteindiamanten in einer tatsächlichen Umgebung in einer Schmelze viel mehr Zeit in Anspruch nehmen kann.
In der weniger tiefen Region, die reich an supertiefer Diamantformation ist, die 250-450 Kilometer tiefer liegt, schiebt sich eine subduzierende tektonische Platte in die Tiefe des Erdmantels. Dies liefert viel Karbonat, das in Kombination mit dem Eisen aus dem Mantel “Fabriken am Förderband” für Diamanten schafft, sagten die Autoren.
Hohe Temperaturen begünstigen Reaktionen, die Diamanten bilden, aber der Druck bewirkt das Gegenteil. In Tiefen von etwa 475 Kilometern unter der Oberfläche steigt der Druck und die Reaktionen verlangsamen sich drastisch, so die Autoren. Deshalb werden nur wenige Diamanten in der Nähe der Erdoberfläche gefunden, die aus einer Entfernung von 450 bis 600 Kilometern stammen.
“Wenn Ihr Druck den diamantstabilen Bereich erreicht, bildet sich ein Diamant. Aber wenn du den Druck erhöhst, bildet er sich mit niedrigeren Geschwindigkeiten. Sie haben dort einen Vorteil”, sagte Zhu.
Eine Ausnahme von dieser Regel bildet der tiefere Bereich von 600-800 Kilometern unter der Oberfläche. In dieser Region gleicht die Ansammlung von Karbonat durch die Stagnation von tektonischen Platten, die nach unten drücken, die Überdosis an Druck aus. Während sich die Reaktionen also verlangsamen, sorgen höhere Temperaturen und eine Fülle von Karbonat für eine diamantreiche Region.
Zhu sagte, dass die neue Studie das Verständnis der Wissenschaftler für den Erdmantel, über den relativ wenig bekannt ist, verbessert.
“Supertiefe Diamanteinschlüsse liefern uns die einzigen Mineralproben aus dem tiefen Erdmantel”, sagte er. “Sehen ist Glauben und diese Einschlüsse bilden eine solide Grundlage für die Studien über den unzugänglichen Mantel.”
Veröffentlichung: Feng Zhu et al. Kinetic control on the depth distribution of superdeep diamonds, Geophysical Research Letters (2018). DOI: 10.1029/2018GL080740
Quelle: off. Pm der American Geophysical Union
Titelbildunterschrift: Der Cullinan Diamond, der größte Diamant in Edelsteinqualität, wurde 1905 in Südafrika entdeckt. Supertiefe Diamanten wurden in der gleichen Mine freigelegt. (Bild: Public Domain)
Pia Gaupels
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