Sedimentschmelzen im Erdmantel als Quelle für salzhaltige Einschlüsse in Diamanten identifiziert

Hochdruckexperimente erklären Kaliumgehalt von Einschlüssen in faserigen Diamanten

14.08.2019

Diamanten bilden sich unter hohen Drücken in besonders alten und verdickten Bereichen an der Basis von Kontinenten. Von dort können sie von Magmen mitgerissen und an die Erdoberfläche transportiert werden. Diamant, die Hochdruckmodifikation von Kohlenstoff, ist ein begehrter Edelstein, besonders wenn er rein und frei von Einschlüssen ist. "Doch gerade die sogenannten faserigen Diamanten mit ihren Einschlüssen von natrium- und kaliumhaltiger Salzlauge sind unfassbar wertvoll für die Geowissenschaften, denn sie geben uns wertvolle Aufschlüsse über die Bildungsbedingungen tief in der Erde", erklärt Dr. Stephan Buhre vom Institut für Geowissenschaften der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Salzhaltige Fluideinschlüsse in Diamanten sind bereits beschrieben worden, jedoch konnte deren Ursprung bislang nicht befriedigend erklärt werden. Einem Team von Wissenschaftlern der australischen Macquarie University in Sydney, der Goethe-Universität Frankfurt am Main und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) gelang nun in einem experimentellen Ansatz der Durchbruch. Die Studie wurde im Fachmagazin Science Advances publiziert.

Unter Zuhilfenahme hydraulischer Hochdruckapparaturen wurde untersucht, ob subduzierte marine Sedimente als Quelle für diese Einschlüsse infrage kommen. Damit dies geschieht, muss ozeanische Kruste und deren Sedimentauflage in einer Subduktionszone bis in eine Tiefe von über 110 Kilometern unter die Kontinente gelangen. Der Vorgang muss rasch geschehen, damit die Sedimentfracht in einen Druckbereich von über 4 Giga-Pascal, was dem 40.000-fachen des atmosphärischen Drucks entspricht, gelangt, bevor sie bei über 800 Grad Celsius zu schmelzen beginnt, um dann mit dem umgebenden Erdmantel zu reagieren.

Hochdruckexperimente mit marinem Sediment und Peridotit

In den Hochdruckexperimenten wurde marines Sediment und das Erdmantelgestein Peridotit in zwei Lagen übereinandergelegt und in Edelmetallkapseln Drücken und Temperaturen ausgesetzt, wie sie in 120 bis 180 Kilometern Tiefe herrschen. Dabei bildeten sich am Kontakt beider Schichten kleine Salzkristalle, deren Kalium-Natrium-Verhältnis genau dem der salzhaltigen Fluideinschlüsse in Diamanten entspricht. In Experimenten bei geringeren Drücken, die Tiefen von weniger als 110 Kilometern entsprachen, fehlten diese Salzkristalle und das Kalium aus den recycelten Sedimenten wurde stattdessen in Glimmer-Mineralen gebunden.

Im Gegensatz zu den bisherigen Modellen, bei denen das Meerwasser als Ursprung dieser Salze vermutet wurde, bieten die Sedimente nun eine hervorragende Erklärung für die gemessenen Kaliumgehalte der salinen Einschlüsse in Diamanten. Als Nebenprodukt der Reaktion entstanden auch magnesiumreiche Karbonate, die ein wichtiger Bestandteil von Kimberliten sind, den Magmen, die letztendlich die Diamanten an die Erdoberfläche transportieren.