Diamanten entstehen üblicherweise in Tiefen zwischen 150 und 600 Kilometern unter der Erdoberfläche im Bereich des Erdmantels. Der dort herrschende Druck und Temperaturen von 1.200 bis 1.400 Grad Celsius machen aus Kohlenstoff die härtesten bekannten Minerale der Welt. Durch explosive Vulkanausbrüche gelangen sie mit exotischen Magmen, den Kimberliten, an die Erdoberfläche.

Aus früheren Studien war bereits bekannt, dass Diamanten Natrium- und Kalium-haltige Fluide einschließen, jedoch war der Ursprung dieser Fluide unbekannt. Einem Forscherteam unter Beteiligung der Goethe-Universität hat nun das Rätsel gelöst, in dem es die Situation unter extremem Druck und großer Hitze im Labor simulierte.

"Damit solche Einschlüsse entstehen können, müssen Teile der marinen Erdkruste und deren Sedimentauflage in einer sogenannten Subduktionszone unter die kratonischen Kontinente abtauchen. Diese Zonen liegen in Tiefen von über 110 Kilometern bei einem Druck von mehr als vier Gigapascal, also dem 40 Tausendfachen des atmosphärischen Drucks", erklärt Michael Försterder, Erstautor der Studie, die nun in der Fachzeitschrift "Science Advances" erschienen ist. Das Abtauchen der Erdkruste muss rasch geschehen, so dass sich der Diamant gebildet hat, bevor das Sediment bei über 800 Grad Celsius zu schmelzen anfängt und mit dem kratonischen Mantel reagiert.

Gesteine unter Druck

Für die Hochdruckexperimente im Labor schichteten die Wissenschafter aus Sydney, Mainz und Frankfurt marines Sediment und Peridotit (Erdmantelgestein) in vier Millimeter kleine Kapseln und setzten sie unter Hochdruck und extreme Temperaturen. Bei Drücken von vier bis sechs Gigapascal – entsprechend Tiefen von 120 bis 180 Kilometern – entstanden aus der Reaktionen beider Schichten kleine Salzkristalle. Deren Kalium zu Natrium-Verhältnis entspricht genau dem der salzhaltigen Fluideinschlüsse in Diamanten. In Experimenten mit geringeren Drücken, die Tiefen von unter 110 Kilometern entsprechen, fehlen diese Salze. Stattdessen wird Kalium aus dem recycelten Sediment von Glimmer aufgenommen.

"Im Gegensatz zu vorherigen Modellen, bei denen der Ursprung der Salze dem Meerwasser zugeschrieben wurde, sind die Sedimente eine plausible Quelle für Kalium", sagt der Mineraloge Horst Marschall von der Goethe-Universität, "denn im Meerwasser ist die Kaliumkonzentration zu niedrig, um die salinen Einschlüsse in Diamanten zu erklären." Als Nebenprodukt der Reaktion entstanden auch magnesiumreiche Karbonate, die wichtige Bestandteile der Kimberlite sind. (red, 19.6.2019)