Neuer Indikator: Diamanten kommen immer nur in solchen Gesteinsschichten vor, wo auch eine magnesiumreiche Form des Minerals Olivin zu finden ist, wie Forschende herausgefunden haben. Durch einen geologischen Prozess, der Olivin eisenhaltiger macht, werden die Edelsteine hingegen zerstört. Die neue Methode erleichtert Diamantenhändlern nun die Suche im Erdboden.
Diamanten kommen in der Natur relativ selten vor und sind daher nur schwer zu finden und entsprechend wertvoll. „Es gibt keine Methode, die garantiert, Diamanten zu finden“, sagt der Geologe Andrea Giuliani von der ETH Zürich. Ein Hinweis bei der Suche ist, dass die Edelsteine nur dort zu finden sind, wo es das bläulich bis schwarze Magmagestein Kimberlit gibt. Dieses wiederum kommt nur auf sehr alten Kontinentalblöcken vor, die geologisch über Milliarden von Jahren unverändert blieben: vorwiegend in Kanada, Südamerika, im zentralen und südlichen Afrika, in Australien und Sibirien.
„Aber auch schon die Suche nach einem Kimberlit gleicht der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen“, so Giuliani. „Hat man dieses Gestein einmal gefunden, fängt die aufwendige Diamantensuche erst richtig an.“ Gängige Methoden stützen sich dabei vorwiegend auf die in Kimberlit vorkommenden Minerale Klinopyroxen und Granat, sind jedoch zeitaufwendig und bieten keine Fundgarantie.
Neuer Indikator gesucht
Giuliani und sein Team haben daher nach einem einfacheren Indikator für Diamantvorkommen gesucht. Dabei machten sich die Geologen zunutze, dass Kimberlit-Gesteine etwa zur Hälfte aus dem Mineral Olivin bestehen. Olivin besteht wiederum aus unterschiedlichen Anteilen von Magnesium und Eisen. Die Forschenden wollten wissen, ob der Eisen- oder Magnesiumgehalt von Olivin ein zuverlässiger Indikator für eine Diamantenlagerstätte sein kann, und analysierten dafür verschiedene Kimberlit-Proben des Diamantenhändlers De Beers. Die Proben stammten aus Russland, Kanada, Brasilien und Südafrika.
Das Ergebnis: „In Gesteinsproben, in denen das Olivin sehr eisenhaltig war, gab es keine oder nur sehr wenige Diamanten“, stellt Giuliani fest. Umgekehrt war bei stark magnesiumhaltigem Olivin der Diamantengehalt sehr hoch. Weitere Untersuchungen bestätigten, dass das Eisen-Magnesium-Verhältnis von Olivin direkt mit dem Diamantgehalt des Kimberlit-Gesteins zusammenhängt.
Warum gibt es Diamanten nur in der Nähe von eisenarmem Olivin?
Um herauszufinden, wie es zu diesem Zusammenhang kommt, untersuchten die Forschenden anschließend anhand von diamantarmen Kimberlit-Proben, wie sich die sogenannte Metasomatose auf die Edelsteine auswirkt. Bei diesem natürlichen geologischen Prozess wird Gestein im Erdinnern durch heiße Flüssigkeiten und Schmelze aus darunter liegenden Schichten angegriffen. Dabei reagieren die im Gestein vorhandenen Minerale mit den in den Fluiden gelösten Stoffen zu anderen Mineralen.
Die Geologen fanden heraus, dass Olivin immer dort eisenhaltiger wird, wo eine solche Metasomatose auftritt und die Zusammensetzung der Gesteine stark verändert. Das passiert im sogenannten lithosphärischen Mantel. In dieser Gesteinsschicht in rund 150 Kilometer Tiefe kommen wegen des dort herrschenden hohen Drucks auch Diamanten vor, sie können durch die Schmelze jedoch zerstört werden, wie Giuliani und seine Kollegen berichten. Wenn hingegen keine oder nur sehr wenig Schmelze in die Gesteinsschicht des lithosphärischen Mantels eindringt, enthält das dortige Olivin wenig Eisen und stattdessen viel Magnesium – und die Diamanten bleiben erhalten.
Wie wandern Diamanten Richtung Erdoberfläche?
Doch das Ausbleiben einer solchen Metasomatose ist nicht die einzige Voraussetzung für Diamanten. Es kommt auch auf einen weiteren geologischen Prozess an, wie die Forschenden erklären: Kimberlite und die darin enthaltenen Edelsteine gelangen in höhere Gesteinsschichten, indem sie als flüssige Masse aus dem Erdinnern aufsteigen. Unterwegs nehmen sie feste Fragmente des Erdmantels auf, erkalten und bleiben dann stecken. Dieser Prozess kann in einem Rutsch passieren oder auch in mehreren Schritten hintereinander stattfinden – mit Folgen für das Diamantvorkommen.
„Ein ‚Stop-and-go‘ mit Schmelzen, Aufstieg, Verfestigung wirkt sich zerstörerisch auf Diamanten aus“, erklärt Giuliani. Herrschten hingegen jene Bedingungen, die Kimberlite direkt an die Oberfläche aufsteigen ließen, dann sei das ideal für den Erhalt der Edelsteine. „Unsere Studie zeigt, dass Diamanten nur dann intakt bleiben, wenn Kimberlite auf ihrem Weg nach oben ausschließlich Mantelfragmente mitnehmen, die noch nicht stark mit vorheriger Schmelze interagiert haben“, sagt Giuliani.
Neue Technik hilft bei der Diamantensuche
Der geringe Eisengehalt des Olivins sei daher ein gutes, aber kein ausreichendes Indiz für Diamanten. Die neu entwickelte Analyse ist genauso (un)zuverlässig wie bisherige Methoden, die sich auf andere Minerale im Kimberlit stützen, wie die Forschenden berichten. Die neue Methode sei aber weniger aufwendig und schneller: Man müsse künftig nur noch wenige Kimberlit-Proben analysieren, um herauszufinden, ob sie Diamanten enthalten oder nicht.
Die chemische Analyse von Olivin ergänzt damit die bisherigen Messungen und erleichtert es künftig, Diamantenlagerstätten aufzuspüren. „De Beers wendet die neue Methode bereits an“, sagt Giuliani. Darüber hinaus helfe die neue Methode, endlich zu verstehen, warum die bisherigen Techniken ebenfalls funktioniert haben. Denn diese zeigen einen raschen und damit edelsteingünstigen Kimberlit-Aufstieg an. (Nature Communications, 2023; doi: 10.1038/s41467-023-42888-x)
Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich
