Geheimnis der Welterbe-Amethyste gelüftet

Bis zu fünf Meter groß und tiefviolett: Die Amethyst-Geoden aus dem Norden Uruguays sind weltberühmt. Doch unter welchen Bedingungen diese einzigartigen Edelsteine entstanden sind, haben Geologen erst jetzt herausgefunden. Demnach kristallisierte diese violette Variante des Quarz bei ungewöhnlich niedrigen Temperaturen aus. Anders als gedacht bildeten sich die kristallgefüllten Hohlräume zudem erst nach Ende des Vulkanismus in dieser Region.

Amethyst entsteht, wenn Siliziumdioxid in Gegenwart von Eisen auskristallisiert. Die resultierenden Quarzkristalle tragen Defekte in Form von Eisenionen (Fe³⁺) in ihrer Gitterstruktur. Werden diese zunächst transparenten Kristalle dann radioaktiver Strahlung ausgesetzt, beispielsweise durch natürliche Zerfallsreaktionen in Granitgesteinen, können diese Eisenionen ein weiteres Elektron verlieren. Dadurch bilden sich Fe⁴⁺-Defekte im Quarzkristall, die durch Lichtbrechung die violette Färbung des Amethysts erzeugen.

Dunkles Violett und metergroße Geoden

Besonders begehrt und weltberühmt sind Amethyste aus dem Grenzgebiet von Brasilien und Uruguay. Die dort gefundenen Edelsteine beeindrucken durch eine intensive tiefviolette Farbe und eine hohe Reinheit. Der Los-Catalanes-Distrikt im Norden Uruguays ist wegen seiner einzigartigen und bis zu fünf Meter großen Amethyst-Geoden sogar zum geologischen Welterbe erklärt worden. Schon seit 150 Jahren werden in dieser Lagerstätte Amethyste abgebaut.

Doch wie wurden die Amethyste von Los Catalanes gebildet? Klar ist, dass die Lage dieses Vorkommens in einer der größten urzeitlichen Vulkanprovinzen weltweit kein Zufall ist. Denn die Amethyst-Geoden kommen fast ausschließlich in alten Lavaströmen dieser vulkanischen Ablagerungen vor. Aber im Detail ist ihre Entstehung strittig: Einer Theorie zufolge kristallisierten die Amethyst-Geoden aus heißen Fluiden dieser Lavaströme aus. Eine andere sieht eher das Grundwasser als Quelle der gelösten Ausgangsstoffe.

Edelsteine im Labor

Um das Geheimnis der Riesengeoden von Los Catalanes zu lüften, haben Fiorella Arduin-Rode von der Universität Göttingen und ihre Kollegen Proben von Amethysten und ihrem Umgebungsgestein aus 30 verschiedenen Minen in Nord-Uruguay untersucht. Sie analysierten dabei die Mineralzusammensetzung und konnten mithilfe von Fluideinschlüssen und Isotopenanalysen Rückschlüsse auf Entstehungstemperaturen und Ausgangsbedingungen ziehen.

„Um zu entschlüsseln, wie Amethyste entstehen, sind Bedingungen wie die Temperatur und die Zusammensetzung der mineralisierenden Flüssigkeiten sowie die Kieselsäurequelle, der Zeitpunkt der Mineralisierung und die Beziehung zu den Wirtsgesteinen wichtige Faktoren“, erläutert Arduin-Rode.

Wenig Hitze und wenig Salz

Es zeigte sich: Die noch farblosen Quarzkristalle – Vorstadien des gefärbten Amethysts – und auch der violette Amethyst enthielten keine Hinweise auf eine Hitzeeinwirkung, wie das Team berichtet. Stattdessen spricht die Struktur der Minerale und Einschlüsse dafür, dass diese Edelsteine bei nur 15 bis 60 Grad auskristallisierten. Nach Ansicht von Arduin-Rode können die Amethyste demnach nicht direkt aus den heißen Fluiden der frischen Lava entstanden sein.

Die Zusammensetzung der Einschlüsse verrät zudem, dass sich die Quarzkristalle nicht aus salzhaltigen hydrothermalen Fluiden bildeten – die Salzkonzentration in den Fluideinschlüssen ist dafür zu niedrig. „Die Analysen des Wassers in Geoden und Fluideinschlüssen legen nahe, dass die Mineralisierungs-Flüssigkeit dem heutigen Grundwasser ähnelte“, berichten Arduin-Rode und ihre Kollegen.

Grundwasser statt vulkanischer Fluide

Zusammengenommen spricht dies dafür, dass die zweite Theorie zur Entstehung der Amethyste von Los Catalanes zutrifft: Die mit den violetten Quarzkristallen gefüllten Geoden bildeten sich in salzarmem, aber mit Silikaten gesättigten Grundwasser. Dieses strömte in Hohlräume ein, die lange vorher durch Gasaustritte aus der Vulkanlava entstanden waren. In diesen Hohlräumen des nun erkalteten, erstarrten Basalts sammelte sich das mäßig warme, silikatreiche Wasser und begann auszukristallisieren.

Dabei entstanden zunächst farblose Quarzkristalle, die dann erst im Laufe der Zeit in die intensiv gefärbten Amethyste umgewandelt wurden. Dieses Szenario erklärt auch Unterschiede zwischen den Amethyst-Geoden: „Der teils unterbrochene Flüssigkeitseinstrom in die Geoden resultierte in heterogenen Ablagerungen: Einige Geoden haben mehrere Kristallisationsphasen durchlebt, andere nur eine oder gar keine“, erklärt das Team. (Mineralium Deposita, 2024: doi: 10.1007/s00126-024-01310-2)

Quelle: Mineralium Deposita, Georg-August-Universität Göttingen