Sedimentschmelzen im Erdmantel als Quelle für salzhaltige Einschlüsse in Diamanten identifiziert

Neu gebildete Chlorid-Kristalle aus den Hochdruckexperimenten: Sie gleichen in ihrer chemischen Zusammensetzung denen von salinen Einschlüssen in natürlichen Diamanten. Foto/©: M. Förster

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 Kalium-haltiger 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 nicht befriedigend erklärt werden. Einem Team von Wissenschaftlern der Macquarie-Universität in Sydney, der Goethe-Universität in Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität 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 in Frage 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 – das entspricht dem 40.000-fachen des atmosphärischen Drucks – 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 Kilometer Tiefe herrschen.

Dabei bildeten sich am Kontakt beider Schichten kleine Salzkristalle, deren Kalium/Natrium-Verhältnis genau dem der salzhaltigen Fluideinschlüsse in Diamanten entsprach. 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 Kalium-Gehalte 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.

Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/09_geowiss_petrologie_sedimente_diamanten_…
Neu gebildete Chlorid-Kristalle aus den Hochdruckexperimenten: Sie gleichen in ihrer chemischen Zusammensetzung denen von salinen Einschlüssen in natürlichen Diamanten.
Foto/©: M. Förster

http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/09_geowiss_petrologie_sedimente_diamanten_…
Sogenannte Stempel-Zylinder-Apparatur am Institut für Geowissenschaften, Mainz: Mit bis zu 650 Tonnen Presskraft können Proben unter Druck- und Temperaturbedingungen des oberen Erdmantels versetzt werden.
Foto/©: S. Buhre

Weiterführende Links:
https://www.geowiss.uni-mainz.de/petrologie/ – Petrologie am Institut für Geowissenschaften

Dr. Stephan Buhre
Petrologie
Institut für Geowissenschaften
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-24112
E-Mail: buhre@uni-mainz.de
https://www.geowiss.uni-mainz.de/petrologie/team-der-ag-petrologie/dr-stephan-bu…

Michael Förster et al.
Melting of sediments in the deep mantle produces saline fluid inclusions in diamonds
Science Advances, 29. Mai 2019
DOI: 10.1126/sciadv.aau2620
https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaau2620.full

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Petra Giegerich idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Informationen:

http://www.uni-mainz.de/

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