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Diamanten – ganz ohne Hochdruck

Nanodiamanten aus Ozeankruste liefern Beweis für eine Bildung bei milden Bedingungen

Nanodiamanten
Diese Nanodiamanten sind synthetisch erzeugt, aber in Kuba haben Forscher solche Kristalle entdeckt, die natürlich und unter Niederdruck-Bedingungen entstanden sind. © D. Mukherjee /CC-by-sa 4.0

Von wegen Hochdruck-Kristalle: Diamanten können schon bei weit geringerem Druck entstehen als bislang gedacht, wie nun ein Fund auf Kuba belegt. Dort haben Forscher in ozeanischem Krustengestein Nanodiamanten entdeckt, die maximal 200 Megapascal Druck und 350 Grad Hitze ausgesetzt waren – weit weniger als nach gängiger Lehrmeinung für die Diamantbildung nötig. Offenbar ermöglichte eine stark reduzierende Umgebung die Entstehung dieser Kohlenstoffkristalle.

Normalerweise sind Diamanten ein Produkt der Extreme: Sie entstehen, wenn Kohlenstoff unter dem enormen Druck und der Hitze des Erdmantels zusammengepresst wird – meist geschieht dies in 150 bis 200 Kilometern Tiefe bei deutlich mehr als 1.000 Grad. Erst dann nimmt der Kohlenstoff die kompakte Gitterstruktur ein, die den Diamanten auszeichnet. Die edelsten und größten Diamanten haben sogar noch tiefere Wurzeln – sie stammen wahrscheinlich aus mehr als 660 Kilometer Tiefe.

Olivineinschlüsse
Dünnschliff von Olivin-Einschlüssen mit Nanodiamanten, Serpentinit, Magnetit und Silzium. © Universidad de Barcelona

Doch es geht möglicherweise auch anders: Einige Diamanten könnten deutlich weniger Druck und Hitze für ihre Bildung benötigen. Erste Hinweise auf solche Niederdruck-Diamanten haben Geologen schon vor einigen Jahren in ozeanischen Krustengesteinen gefunden. In diesen Gesteinsformationen fanden sie winzige Einschlüsse, die sich als Nanodiamanten entpuppten. Allerdings blieb strittig, ob diese Nanodiamanten nicht doch durch Kontamination in die Proben gelangt waren.

Nanodiamanten in ozeanischer Kruste

Jetzt liefern neue Funde solcher Nanodiamanten Gewissheit. Entdeckt haben sie Nuria Pujol-Sola von der Universität Barcelona und ihre Kollegen in ozeanischen Krustengestein im Nordosten Kubas. „Wir berichten über die ersten jemals in situ beobachteten Diamanten in methanreichen Einschlüssen in Proben von Gabbro und Chromit aus ozeanischer Niederdruck-Kruste“, konstatieren sie. „Ihre Bildung durch natürliche Prozesse ist unzweifelhaft.“

Einen Beleg dafür liefert die Tatsache, dass diese Nanodiamanten unter der Oberfläche von Olivinkörnchen vorkommen und daher nicht nachträglich in die Proben gelangt sein können. Zudem liegen sie gemeinsam mit Mineralen wie Serpentinit und Magnetit in den Einschlüssen vor, die auf Reaktionen unter eher geringem Druck hindeuten, wie die Forscher berichten.

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Reaktionen in winzigen Flüssigkeits-Blasen

Aber wie können die Diamanten ohne Hochdruck entstanden sein? Nähere Analysen und eine Rekonstruktion der geologischen Geschichte der Gesteinsformation gaben darüber Aufschluss. „Während der Bildung dieser Kruste am Meeresgrund vor rund 120 Millionen Jahren kam es durch eindringendes Wasser zu mineralischen Veränderungen“, erklären die Forscher. „Dadurch entstanden winzige Flüssigkeitseinschlüsse im Olivin, dem häufigsten Mineral in diese Gesteinen.“

Diese eingeschlossenen Flüssigkeiten reagieren mit dem Olivin und lösen dadurch das Wachstum einer Reihe von hydratisierter Minerale wie Magnetit und Serpentinit aus. Gleichzeitig verändert sich dadurch die Zusammensetzung der Flüssigkeit und Methan sowie freier Kohlenstoff entstehen. „All diese Materialien bildeten sich unter einem Druck von weniger als 200 Megapascal und einer Temperatur von weniger als 350 Grad“, berichten Pujol-Sola und ihr Team.

Reduzierende Bedingungen ermöglichen Diamantbildung

Normalerweise müsste der Kohlenstoff unter diesen Bedingungen die weniger kompakte Kristallform des Graphits einnehmen. „Aber Studien belegen, dass unter stark reduzierenden Bedingungen auch Diamant entstehen kann“, erklären die Wissenschaftler. In geophysikalischen Simulationen haben sie deshalb überprüft, ob dies auch in der auf Kuba untersuchten Gesteinsformation der Fall gewesen sein könnte.

Das Ergebnis: Die chemisch-geologischen Bedingungen in dieser ozeanischen Kruste waren wahrscheinlich reduzierend genug, um die Bildung der Nanodiamanten selbst bei geringem Druck zu ermöglichen. „Dieses Ergebnis könnte darauf hindeuten, dass die Bildung von Nanodiamanten in solchen veränderten, olivinhaltigen Gesteinen ein weit verbreiteter Prozess sein könnten“, konstatieren Pujol-Sola und ihre Kollegen. (Geochemical Perspectives Letters, 2020; doi: 10.7185/geochemlet.2029)

Quelle: Universidad de Barcelona

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