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Die meisten natürlichen Diamanten erreichen die Erdoberfläche eingebettet in einem seltenen, karottenförmigen Vulkangestein, das als Kimberlit bezeichnet wird. Neue Computermodelle der Universität Oslo zeigen, wie winzige Mengen flüchtiger Komponenten – vor allem Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) – die Chemie und Auftriebskraft von Kimberlit-Schmelzen verändern und damit entscheiden, ob diese aus großer Tiefe stammenden Magmen die Kruste durchbrechen und Diamanten an die Oberfläche transportieren können. Diese Forschung verbindet atomare Wechselwirkungen mit makroskopischen geologischen Prozessen und liefert wichtige Einsichten für Geochemie, Petrologie und Exploration.
Warum Kimberlite bedeutsam sind: ein Fenster zum tiefen Erdinneren
Kimberlite sind geologische Besonderheiten. Sie bilden enge, röhrenartige Körper, die mehr als 150 km unter der Oberfläche im Erdmantel entstehen und dann explosiv eruptieren, mit Aufstiegsgeschwindigkeiten, die in einigen Fällen 80 Meilen pro Stunde (etwa 130 km/h) überschreiten können. Weil sie Material aus solchen großen Tiefen einsammeln, transportieren Kimberlite Fragmente des Mantelgesteins sowie seltene Mineralien – darunter Diamanten –, die während des raschen Aufstiegs eingefangen werden. Damit sind Kimberlite für Geologen von unschätzbarem Wert: Sie liefern Proben und Hinweise auf Druck‑/Temperatur‑Bedingungen, Mineralchemie und volatile Budgets im tiefen Mantel, die sonst nicht direkt zugänglich wären.
Von besonderem Interesse sind Kimberlite in alten Kratonzonen, also stabilen, dicken lithosphärischen Bereichen, in denen Diamanten über geologische Zeiträume erhalten bleiben können. Das Studium solcher Kimberlit‑Pipes erlaubt Rückschlüsse auf Manteldynamik, Kratonentwicklung, tiefe Kohlenstoff‑Reservoire und die Bedingungen, die Diamanten stabil halten. Darüber hinaus sind Kimberlite ökonomisch relevant: viele primäre Diamantlagerstätten sind an Kimberlite gebunden und liefern daher auch Hinweise für die Rohstoffexploration.
Modellierung flüchtiger Chemie: CO2 und Wasser spielen unterschiedliche Rollen
Ein Forscherteam unter der Leitung der Doktorandin Ana Anzulović nutzte Molekulardynamik‑Berechnungen und chemische Modellierung, um nachzubilden, wie eine elterliche oder proto‑kimberlithische Schmelze sich verhält, während sie durch Mantel und Kruste aufsteigt. Als Fallbeispiel diente das Jericho‑Kimberlit im Slave‑Kraton Kanadas – ein gut dokumentiertes System, das realistische Daten für die Variationen der flüchtigen Komponenten bietet. Durch systematisches Variieren von CO2‑ und H2O‑Anteilen in der simulierten Schmelze und durch Nachverfolgung von Dichte, Viskosität und Diffusivität quantifizierte das Team das notwendige volatile Budget, damit eine Eruption erfolgreich die dichte kratonische Lithosphäre durchbrechen kann.
Die Modellrechnungen kombinierten atomistische Simulationen mit makroskopischen Feststoff‑ und Fließparametern: sie betrachteten, wie Wasser Netzwerke im silikatischen Schmelz depolymerisiert, wie CO2 in Form carbonatischer Spezies die Dichte verändert, und wie beides zusammen das Gleichgewicht zwischen Auftrieb und Versickerung steuert. Solche Modelle sind besonders wertvoll, weil direkte Messungen in situ unmöglich sind; stattdessen verknüpfen sie Labor‑ und Feldbeobachtungen mit physikalisch‑chemischen Prinzipien.
Wichtige modellierte Größen waren die Dichte der Schmelze verglichen mit umgebendem Peridotit, die dynamische Viskosität, die atomare bzw. molekulare Diffusivität (als Indikator für Mobilität und Kristallisationsneigung) sowie die Sättigungszustände, bei denen Exsolvierung von Gasphasen (Blasenbildung) einsetzt. Diese Parameter bestimmen, ob eine Schmelze fließen, Fragmente aufnehmen, und letztlich als ballistic, explosiver Phasenpfeiler die Kruste durchbrechen kann.
Wasser erhöht Mobilität, CO2 schafft Auftrieb und Explosionskraft
Die Studie zeigt, dass Wasser und Kohlendioxid die Schmelze auf komplementäre Weise beeinflussen. Wasser wirkt als Depolymerisator: es bricht Silikatnetzwerke teilweise auf, erhöht die Ionenmobilität und damit die Diffusivität, wodurch die Schmelze länger flüssig und weniger prädestiniert zur frühen Kristallisation bleibt. Das verringert Viskosität und hilft, die Schmelze bei hohen Aufstiegsgeschwindigkeiten intakt zu halten.
Kohlendioxid hingegen fördert auf der tieferen Ebene die Ausbildung einer Schmelzstruktur, die gegenüber dem umgebenden Peridotit eine verringerte Dichte aufweist. Bei abnehmendem Druck exsolviert CO2 in Form von Blasen oder carbonatischen Phasen nahe der Oberfläche; diese Blasen treiben die Schmelze zusätzlich nach oben und liefern die explosive Auftriebskraft, die eine schnelle, fragmentierende Eruption ermöglicht. Kurz zusammengefasst: H2O hält das Magma beweglich und verhindert Erstarrung; CO2 senkt die Effektivdichte und liefert beim Entweichen die treibende Kraft für die Explosion.
Diese funktionelle Arbeitsteilung erklärt, warum relativ kleine Änderungen in der Zusammensetzung – bereits wenige Prozentpunkte flüchtiger Stoffe – die Eruptionsdynamik dramatisch verändern können. In der petrologischen Terminologie beeinflussen H2O und CO2 die Polymerisationsstufe des Schmelznetzwerks, die Schmelz‑Melt‑Struktur und die Bildung von Kationen‑koordinierten Spezies sowie karbonatischen Komplexen, was wiederum Viskosität, Dichte und Gaslöslichkeit steuert.
Wie viel CO2 ist ausreichend?
Eines der klarsten Ergebnisse der Arbeit betrifft eine Schwelle für das Jericho‑System: die elterliche Schmelze muss mindestens etwa 8,2 Gewichtsprozent CO2 enthalten, um gegenüber der dicken kratonischen Lithosphäre auftriebfähig zu bleiben und eruptiv die Oberfläche zu erreichen. Liegt der CO2‑Anteil darunter, wird die modellierte Schmelze dichter als der umgebende kratonische Mantel und stagniert – ein Zustand, der zu Abkühlung, Kristallisation und schließlich zum Verschwinden der Diamanten durch Rekristallisation oder Graphitisierung führen kann.
Diese numerische Schwelle ist kontextabhängig: sie variiert mit Temperatur, initialer Schmelzchemie, vorhandenen Kristallbestandteilen und dem Gefüge des umgebenden Gesteins. Dennoch ist das Ergebnis robust genug, um einen praktikablen Hinweis für andere kratonische Kimberlit‑Systeme zu liefern: nur Schmelzen mit ausreichend hohem CO2‑Anteils bleiben auf Dauer explosionsfähig und dienen als effektive Förderer für Material aus großer Tiefe.
Schon bei moderaten CO2‑Werten konnten die Modelle erstaunliche Mengen an Mantelfragmenten aufnehmen: das volatilreichste Szenario der Forscher hob bis zu 44 % Mantelperidotit als Xenolithe und Xenokristalle mit. Diese starke Xenolith‑Beladung ist ein weiterer Grund für die fragmentierende Natur vieler Kimberlit‑Eruptionen: die Kombination aus niedriger Viskosität (die schnelles Strömen erlaubt) und dem volatilen Auftrieb (der das Aufsteigen überhaupt ermöglicht) führt zu heftigen, kurzzeitigen Ausbruchsereignissen.
Warum schneller Aufstieg für Diamanten entscheidend ist
Die Stabilität von Diamant gegenüber Graphit ist eine Funktion von Druck und Temperatur. In tiefen Mantelbereichen sind Diamanten thermodynamisch stabil, doch bei geringerem Druck und vergleichsweise höheren Temperaturen wird die Umwandlung in Graphit begünstigt. Die Geschwindigkeit des Kimberlit‑Aufstiegs ist daher von zentraler Bedeutung: nur ein rasch aufsteigendes, mit flüchtigen Stoffen angereichertes Kimberlit kann Diamanten in ihrem stabilen Zustand bis zur Oberfläche transportieren, bevor kinetische Prozesse und Umgebungsbedingungen eine Umwandlung ermöglichen.
Diese Dynamik erklärt auch empirische Beobachtungen: mehr als 70 % der geförderten natürlichen Diamanten stammen aus Kimberlit‑gebundenen Lagerstätten. Andere Diamanten‑Quellen, wie sekundäre alluviale Lagerstätten, sind indirekt mit primären Kimberlitquellen verbunden, da dort Diamanten durch Verwitterung und Transport angereichert werden. Die Primärlagerstätten sind jedoch oft direkt mit erfolgreichen, volatilgetriebenen Kimberlit‑Eruptionen verknüpft.
Aus petrologischer Sicht hängt die Erhaltung von Diamanten zusätzlich von der Redox‑Bedingung, dem Vorhandensein von Katalysatoren für Graphitisierung und der chemischen Umgebung während des Aufstiegs ab. Schnellere Aufstiegsraten reduzieren die Verweildauer in kritischen P‑T‑Feldern und minimieren so Umwandlungschancen.
Diamantenmine
Breitere Implikationen und zukünftige Forschung
Dieser Modellierungsansatz verbindet Wechselwirkungen auf atomistischer Ebene mit großmaßstäblichen geologischen Prozessen. Durch die Eingrenzung der flüchtigen Anteile in elterlichen Schmelzen können Forscher besser vorhersagen, welche paläomagmatischen Ereignisse in der Erdgeschichte tatsächlich fähig waren, Mantelmaterial an die Oberfläche zu bringen. Das hat weitreichende Folgen: es erklärt, wie volatile‑reiche Magmen tiefen Kohlenstoff transportieren, wie Kratone sich durch Mantel‑Erneuerungsprozesse verändern, und warum Kimberlit‑Eruptionen zeitlich und räumlich so selten sind.
Für die Geochemie und Petrologie bedeutet das, dass kombinierte Ansätze aus fortgeschrittenen Simulationen und detaillierten Analysen von Kimberlit‑Xenolithen und Schmelzeinschlüssen nötig sind. Isotopische Untersuchungen (z. B. C‑, O‑, Sr‑, Nd‑Isotope), Thermobarometrie und Mikroanalytik (z. B. LA‑ICP‑MS, SIMS) können die modellierten volatile Budgets testen und verfeinern. Solche integrierten Studien erlauben auch bessere Vorhersagen für die mineralische Exploration, weil sie die druck‑temperatur‑volatile Fenster herausarbeiten, in denen diamantführende Eruptionen am wahrscheinlichsten sind.
Darüber hinaus liefert die Arbeit Hinweise für das globale Kohlenstoff‑Kreislaufverständnis: Kimberlit‑Eruptionen können erhebliche Mengen tief gebundenen Kohlenstoffs in die Oberkruste und Atmosphäre transportieren, was in geologischen Zeiträumen klimarelevante Effekte haben kann. Schließlich sind technologische Fortschritte in Hochleistungsrechnern, Machine‑Learning‑gestützte Modelloptimierungen und Multiskalen‑Simulationen zu erwarten, die die Genauigkeit und Auflösung solcher Studien weiter verbessern werden.
Expert Insight
„Modellierung liefert die fehlende Verbindung zwischen dem, was wir an der Oberfläche beobachten, und der unsichtbaren Chemie in der Tiefe,“ sagt Dr. Evelyn Mercer, eine Petrogeologin, die nicht an der Studie beteiligt war. „Die Quantifizierung des CO2‑ und H2O‑Budgets zeigt, warum nur wenige Schmelzen zu eruptiven Kimberliten werden – die meisten Schmelzen stagnieren und kristallisieren lange bevor sie die Kruste erreichen.“
Diese Resultate unterstreichen eine fundamentale Erkenntnis der Erddynamik: bereits kleine Änderungen in der Zusammensetzung – Bruchteile von Volumenprozenten an flüchtigen Stoffen – können spektakuläre, das ganze Planetensystem prägende Ereignisse kontrollieren. Für Kimberlite bedeutet die richtige Kombination aus CO2 und Wasser, dass eine ansonsten unauffällige Schmelze zu einem explosiven Förderer wird, der kurzfristig eine Verbindung zwischen tiefem Mantel und Erdoberfläche öffnet und so Diamanten, Mantelproben und tiefe Kohlenstoff‑Reservoire exhumiert.
Zusammenfassend liefert die Studie nicht nur Einsichten in die speziellen Bedingungen, die Kimberlit‑Eruptionen ermöglichen, sondern bietet auch praktische Ansatzpunkte für die Exploration nach diamantführenden Lagerstätten, verbessert unser Verständnis von tiefen Kohlenstoffflüssen und macht deutlich, wie eng chemische Zusammensetzung und dynamische Prozesse in der Erde verknüpft sind.
Quelle: scitechdaily
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