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Mineralogie Frankfurt

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Petrologisches Hochdrucklabor
* Reise zum Mittelpunkt der Erde: Vorstoß in den Unteren Erdmantel

Einschlüsse in Diamanten als Botschafter aus den Tiefen unserer Erde

Thomas Stachel, Gerhard Brey, Frankfurt am Main

Diamanten entstehen im Erdmantel in einer Tiefe von mindestens 140 km. Von dort bringen sie kleinste Mineraleinschlüsse mit, die detaillierte Informationen über die Zusammensetzung und die physikalischen Bedingungen bis in Tiefen von über 700 km geben können. Im Zusammenspiel mit experimentellen und geophysikalischen Daten entsteht so ein genaueres Bild über die Entwicklung und die Zusammensetzung des Erdmantels.

Eine erste grobe Gliederung unseres Erdkörpers unterscheidet Kruste, Mantel und Kern (Abb.1.). Die EarthsInteriorkontinentale und ozeanische Kruste ist durch Bohrungen und durch Erosionsprofile im Innenbereich von Gebirgskörpern einer direkten Probennahme zugänglich, so dass wir über ihren Aufbau seit längerem recht gut Bescheid wissen. So erschließt die wegen ihrer Vollständigkeit einmalige Ivrea-Verbano Zone in den italienischen Alpen ein in seiner Vollständigkeit einmaliges Profil durch die untere Kruste bis zur Obergrenze des alten Erdmantels.

Der Erdmantel hingegen entzieht sich weitgehend einer direkten Untersuchung. Zwar tritt er auch in Gebirgskörpern zutage, doch haben die aufgeschobenen Schollen eine komplexe Vorgeschichte, so dass die gewonnenen Daten sich nur schwer auf die ungestörte Situation unterhalb der kontinentalen und ozeanischen Kruste übertragen lassen. Einblicke gewähren jedoch Bruchstücke von Erdmantelgesteinen, die durch rasch aufsteigende Gesteinsschmelzen mitgerissen wurden. Dank solcher Xenolithe verfügen wir heute über ein differenziertes Bild von der mineralogischen und chemischen Zonierung und der Temperaturverteilung innerhalb des festen Erdmantels (Mantellithosphäre), wie er unter den Kontinenten anzutreffen ist. Unter besonders alten kontinentalen Bereichen, den Kratonen, kann die Lithosphäre bis in eine Tiefe von etwa 200 km hinabreichen. Aus den darunter liegenden Teilen des Erdmantels scheinen aufsteigende Magmen nur äußerst selten Bruchstücke an die Erdoberfläche heraufzureißen.

Diskontinuitäten im tiefen Erdmantel

Lange Zeit konnte man daher nur mit Hilfe geophysikalischer Methoden, allen voran mit seismischen Untersuchungen, Einblick in den tieferen Erdmantel und den Erdkern gewinnen. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts zeichnete sich ab, dass es Diskontinuitäten gibt, an denen sich die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten von Kompressions- und Scherwellen im Erdinneren abrupt ändern. In den 50er und 60er Jahren war bereits klarwurde erkennt, dass diesen Diskontinuitäten Materialänderungen zugrunde liegen müssen, doch waren experimentelle Untersuchungen zu dieser Zeit zunächst nur mit Vergleichsmaterialien möglich. Als Analogmaterialien wurden beispielsweise Germanatverbindungen verwendet; diese sind besonders gut geeignet, da sie bei viel geringeren Drücken als Silikate vergleichbare Phasenwandlungen zu Hochdruckmodifikationen zeigen. Erst mit der Entwicklung von Vielstempel-Apparaturen wurden die apparativen Voraussetzungen für die Simulation der Druck- und Temperaturbedingungen des tieferen Erdmantels geschaffen. Mit ihnen sind Experimente bei Drücken bis zu 30 Giga-Pascal (Gpa , 30 .109 N/m2; das entspricht einer Tiefe von etwa 800 km) möglich, und mit laserbeheizten Diamantstempelzellen können sogar Drücke simuliert werden, die die Bedingungen im Erdkern überschreiten.

Durch diese modernen experimentellen Methoden ließen sich die wichtigen Diskontinuitäten innerhalb des Erdmantels durch Phasenübergänge erklären, die mit einer erheblichen Verdichtung des Mantelmaterials einhergehen. Für den Erdmantel ergibt sich daraus ein Dreiteilung (Abb. 1):

  • Oberer Mantel, in dem verschiedene Phasen von Olivin und Orthopyroxen dominieren.
  • Übergangszone (410-660 km), in der Olivin eine zunehmend dichtere Struktur annimmt (b-Phase mit spinellartiger Struktur und g-Phase mit echter Spinellstruktur), während sich gleichzeitig Pyroxen im Granat auflöst.
  • Unterer Mantel (660-2900 km), in dem Silikatperovskite und Ferroperiklas [(Mg,Fe)O] vorherrschen.

Solchen geophysikalischen und experimentellen Techniken verdanken wir wichtige Erkenntnisse, doch erlauben sie es nicht, die exakte chemische Zusammensetzung des tieferen Erdmantels abzuleiten. Wichtige Anhaltspunkte hierüber liefert die Zusammensetzung von primären Mantelschmelzen, also unverfälschten, aus der Tiefe aufsteigenden Magmen, wie sie an den Mittelozeanischen Rücken, den ozeanischen Inseln oder in intrakontinentalen Milieus gefördert werden. In Verbindung mit kosmochemischen Daten zur Ausgangszusammensetzung unseres Planeten kann aus solchen Untersuchungen geschlossen werden, dass der ganze Erdmantel eine relativ homogene chemische Zusammensetzung besitzt, wobei der Obere Erdmantel durch den noch andauernden Entzug kontinentaler und ozeanischer Kruste eine Verarmung an leicht herausschmelzbaren Komponenten (sog. lithophile Elemente) erfahren hat. Durch das Absinken von Platten (Subduktion; Abb. 1) wird solches Material aber auch teilweise wieder in den Erdmantel zurückgeführt.

Diamanten und Ihre Herkunft

Mineraleinschlüsse in Diamanten sind in diesem Zusammenhang besonders wertvoll. Sie gewähren die einzigartige Möglichkeit, die Modelle über die Zusammensetzung und die Phasenzustände des tieferen Erdmantels zu testen. Diamant ist chemisch fast inert und somit ein perfekter Behälter, der seine Einschlüsse gegen alle späteren Einflüsse abschirmt. Da es sich meist um monomineralische Einschlüsse handelt, fehlen auch Reaktionspartner, um beim Aufstieg chemische Gleichgewichte veränderten Druck- und Temperaturbedingungen anzupassen. Beim Aufstieg kommt es lediglich zu isochemischen Änderungen der Einschlussminerale. Deren ursprünglicher Phasenzustand lässt sich auf Basis experimenteller Daten rekonstruieren. Damit stellen Diamanteinschlüsse direkte Zeugen des chemischen Milieus und der Druck- und Temperaturbedingungen in den Diamantquellregionen im Erdmantel dar.

Diamanten bilden sich nach heutigem Kenntnisstand hauptsächlich in drei Quellregionen (vgl. Abb. 1):

  • Im lithosphärischen Erdmantel, der unter alten kontinentalen Bereichen bis in das Diamantstabilitätsfeld, also in Tiefen von über 140 km herabreicht,
  • im tieferen Oberen Erdmantel (Asthenosphäre) und in der Übergangszone sowie
  • im Unteren Erdmantel.

Lithosphärische Diamanten (d.h. Diamanten aus der Mantellithosphäre) stellen das Gros der weltweiten Produktion dar und sind durch die von H. O. M. Meyer in den 60er Jahren am Geophysical Laboratory in Washington (DC) begründeten systematischen Untersuchungen an Mineraleinschlüssen inzwischen chemisch sehr gut charakterisiert. Dabei hat sich eine Unterscheidung in zwei Gruppen ergeben [1]: peridotitische Diamanten, die in „normalen“ peridotitischen Erdmantelgesteinen entstehen und eklogitische Diamanten, die in einer Umgebung mit basaltischem Chemismus wachsen.

Aus Untersuchungen zur Spuren- und Hauptelementchemie und Isotopie von Mantelxenolithen und Diamanteneinschlüssen haben wir inzwischen gemeinsam mit anderen Gruppen ein integriertes Modell entwickelt, bei dem die lithosphärische Diamantquellregion im Archaikum (d. h. vor über 2,5 Milliarden Jahren) an Mittelozeanischen Rücken entstand [2]: Die eklogitische Diamantquellregion entspricht dabei der ehemaligen "basaltischen" ozeanischen Kruste, die peridotitische Quellregion der unterliegenden ozeanischen Lithosphäre, aus der diese Basalte herausgeschmolzen wurden. Auch heute werden ozeanische Platten durch Subduktion an den Tiefseegräben wieder verschluckt (Abb. 1). Im Archaikum waren diese Platten aber wegen der höheren Erdmanteltemperaturen vergleichsweise heiß, leicht und schnell, so dass sie nicht in den tieferen Erdmantel herabgeführt wurden, sondern von den Kontinenten (Kruste und Mantellithosphäre) überfahren und an ihrer Basis unter Wirkung starker Scherkräfte aufeinandergestapelt wurden (Einschuppung). Untersuchungen zur Isotopen-Zusammensetzung der Diamanten, bei denen vor allem die in den letzten Jahren von P. Cartigny [3] in Paris gewonnenen Daten zur Stickstoffisotopie eine wichtige Rolle spielen, zeigen allerdings, dass die Diamanten selbst nicht auf subduzierten Kohlenstoff zurückgehen, sondern dass sie während späterer Anreicherungsereignisse entstanden, bei denen Schmelzen und Fluide aus der unterlagernden Asthenosphäre in die Lithosphäre eindringen. Der Kohlenstoff der Diamanten wäre somit aus dieser tieferen Region gekommen, möglicherweise im aufsteigendem Methan, das dann innerhalb der Lithosphäre zu Diamant aufoxidiert wurde. Die Synchronizität von solchen Anreicherungsprozessen und der Bildung von Diamanten wird durch unsere Spurenelementdaten klar belegt.

Diamanten aus der Asthenosphäre und der Übergangszone wurden erstmals 1985 durch R. O. Moore und J. J Gurney [4] von der Universität Kapstadt in der Monastery Mine in Südafrika nachgewiesen. Ab einer Tiefe von etwa 260 km beginnt sich Pyroxen in Granat zu "lösen".

Hierunter ist Folgendes zu verstehen: Pyroxen lässt sich chemisch auch als eine Form von Granat ausdrücken, allerdings hat es eine andere Kristallstruktur. Ab einem bestimmten Druck kann Pyroxen aber eine granatartige Stuktur annehmen, und so kann es zu einem kleinen Teil in den vorhandenen Granat aufgenommen werden. Der "Pyroxenanteil", der im Granat gelöst wird, hat dann aufgrund einer veränderten Koordination von Si eine höhere Dichte als das "normaler" Pyroxen.

Solche Granate sind durch einen erhöhten Silizciumgehalt ausgezeichnet und werden als majoritisch bezeichnet. Inzwischen sind solche majoritischen Granate in einer Reihe von Diamantminen nachgewiesen worden. Aus einem Vergleich mit experimentell synthetisierten Majoriten ergibt sich, dass sie ein Tiefenprofil bis in die tiefe Übergangszone widerspiegeln. Interessanterweise gehören die majoritischen Granate von ihrer Zusammensetzung her zur so genannten eklogitischen Einschlusssuite.

Eklogistische Granate stammen aus Gesteinen mit basaltischer Chemie (s.o.) und werden über ihren niedrigen Chrom-Gehalt definiert. Man sollte eigentlich erwarten, dass die Gesteine der Asthenosphäre und der Übergangszone die chemische Zusammensetzung von Peridotit haben sollten und entsprechend daraus "peridotische Granate" mit hohem Cr-Gehalten (und weiteren auch andere Indikatoren für ein peridotitisches Milieusaure Bedingungen, die niedrige Na- und Ti-Konzentrationen und ein hohes Mg/Fe-Verhältnisse enthalten), auskristallisieren sollten.

Die Granate kristallisierten also in einer basaltischen und nicht in einer peridotitischen Umgebung. Unsere Spurenelement-Untersuchungen an majoritischen Granaten aus Guinea (Westafrika) zeigten zusätzlich eine relative Verarmung des Seltenen-Erdelementes Europium (Eu *nicht zweiwertigen Eu?)), eine Erscheinung, die als negative Eu-Anomalie bezeichnet wird (siehe Kasten 2) und die im vorliegenden Fall nur durch Prozesse unter Beteiligung des Minerals Feldspat (Plagioklas) erklärt werden kann.

Feldspat nimmt Eu2+ bevorzugt gegenüber Eu3+ auf und unterscheidet sich darin von anderen Mineralen des Erdmantels (Olivin, Pyroxen, Granat), die beide Formen gleich gut in ihr Kristallgitter einbauen und folglich keine Anomalie hervorrufen können. In Anwesenheit von Feldspat kommt es folglich zu einer Verarmung an Eu2+ in den umgebenden Gesteinen beziehungsweise Mineralen. Bei anderen Elementen der Seltenen Erden lassen sich vergleichbare Effekte nicht finden, da sie nur in dreiwertiger Form vorkommen.

Da die lose gepackte Struktur des Feldspat aber nur in den obersten Schichten der Erde (bis etwa 30 km Tiefe) stabil ist, ergibt sich, in Verbindung mit der basaltischen Gesamtzusammensetzung, dass die Diamanten aus der Asthenosphäre und der Übergangszone in Gesteinen gebildet wurden, die aus abtauchender ozeanischer Kruste stammen.

Die Entdeckung von Diamanten aus dem Unteren Erdmantel war eine der herausragenden geowissenschaftlichen Entdeckungen der 90er Jahre. Erstmals hat die Gruppe um B. Harte und J. W. Harris (Edinburgh University und Glasgow University) von Mineralassoziationen in Diamanten des Unteren Erdmantels aus der brasilianischen Mine Sao Luiz berichtet [5]. Mit den Kankan-Diamanten aus Guinea konnte unsere Arbeitsgruppe in Frankfurt vor kurzem eine zweite Quelle solcher ultratiefen Diamanten bestimmen. Charakteristisch für solche Diamanten ist das Auftreten von Ferroperiklas mit Ca- und Mg-Silikatperovskiten und von Stishovit, einer isochemischen Hochphase des Quarz (SiO2). Zwar blieb die Perovskitstruktur der Einschlüsse nicht metastabil erhalten, die Oxidphase Ferroperiklas kann jedoch nur unter den Bedingungen des Unteren Erdmantels mit so silizciumreichen Phasen koexistieren, ohne sofort mit ihnen zu reagieren. Eine Abstammung dieser Diamanten aus dem Unteren Erdmantel kann daher als gesichert angesehen werden.

Andererseits ergaben unsere Spurenelementdaten an Perovskiteinschlüssen eine teilweise sehr starke Anreicherung von Elementen, die in dieser Diamantquellregion nicht zu erwarten war. Dies spricht dafür, dass die Zusammensetzung im Unteren Erdmantel, in dem die Diamantbildung erfolgte, in seiner Zusammensetzung lokale Inhomogenitäten aufweist, unterworfen war. Zusätzlich finden sich in den Ca-Silikatperovskiten auch noch positive und negative Eu-Anomalien, die auch hier – wie bereits bei den eklogistischen Diamanten des Oberen Erdmantels (asthenosphärische Diamanten) – einen deutlichen Hinweis auf eine Ableitung dieser Gesteine aus der Erdkruste geben.

Megalith-Modell

Diese Beobachtungen fügen sich sehr gut in ein von A. E. Ringwood (Australian National University, Canberra) entwickeltes Modell ein, das eine Ansammlung ehemaliger ozeanischer Kruste an der Grenze zwischen Übergangszone und Unterem Erdmantel vorhersagt [6] (Abb. 3):

Durch den Vorgang der Subduktionsvorgänge gelangt ozeanische Kruste in tiefere Zonen, wodurch Basalt in Eklogit umgewandelt wird. Die alte Ozeanplatte erhält dadurch eine höhere Dichte als der umgebende Peridotit und sinkt weiter ab, bis sie an die Grenze zum Unteren Mantel gelangt. Dort wandelt sich das gesamte Gesteine mit Peridotitischer Zusammensetzung innerhalb weniger Kilometern Tiefe in ein Gemisch von Perovskit und Ferroperiklas um, was mit einer erheblichen Dichtezunahme einhergeht.und wird dadurch dichter. In Gesteinen eklogitischer Zusammensetzung ist eine entsprechende Umwandlung um etwa 60 bis 100 km Tiefe verzögert, so dass der alte Ozeanboden an der Grenze zum Unteren Erdmantel leichter als gegenüber seiner peridotitische Umgebung ist und nicht mehr weiter absinkt. Ursache für diese "Dichteumkehr" ist letztlich der im Vergleich zum peridotitischen Erdmantel hohe Aluminiumgehalt in der alten Ozeanischen Kruste.

Dieser höhere Al-Gehalt verzögert die vollständige Umwandlung von Granat zu Perovskit, weil sich Al erst bei etwas höherem Druck in den MgSiO3-Perovskit lösen kann. So bleibt Granat – zumindest teilweise – noch in den ersten 60 bis 100 km des Unteren Mantels erhalten.

Nach den Vorstellungen Ringwoods sollen die nachschiebenden höheren Teile einer solchen ozeanischen Platte aber unter bestimmten Umständen in der Lage sein, Material in den dichteren Unteren Erdmantel herabzudrücken. Da die ozeanische Platte dort jetzt aber starke Auftriebskräfte erfährt, soll sie sich im obersten Unteren Erdmantel zu einem Megalithen zusammenstauchen, der eine Melange aus ehemaliger ozeanischer Kruste und mit ihr fest verbundenem, alten lithosphärischen Erdmantel ozeanischer Lithosphäre (genauer: ozeanischem Lithosphärenmantel) darstellt. Der sich erwärmende Megalith wird im Unteren Erdmantel zum einen thermisch erodiert, zum anderen entlässt er Magmenschübe in die Übergangszone und in den Oberen Erdmantel. Der Ursprung dieser Magmen aus ehemaliger Kruste erklärt, dass Intraplattenbasalte (wie auf Hawaii) bestimmte Spurenelementein Konzentrationen enthalten, die für Schmelzen aus dem Erdmantel völlig ungewöhnlich sind. Aufsteigendes megalithisches Magma (Magma kommt nicht aus dem Lateinischen sondern aus dem Griechischen (heißt so was wie gerührter Brei) und ist daher Neutrum) kann zudem den Transport der im Unteren Erdmantel gebildeten Diamanten an die Basis der kontinentalen Lithosphäre leisten.

Hohe Aluminiumgehalte in einigen Mg-Silikatperovskiten von Sao Luiz belegen aber, dass Diamanten nicht nur aus den obersten 100 km des Unteren Erdmantels stammen. Für eine genauere Einstufung der Druck und Temperaturbedingungen, unter denen die Diamanten des Unteren Erdmantels entstanden, fehlen allerdings noch experimentelle Daten und geeignete Mineralparagenesen. Untersuchungen an Diamanteinschlüssen versprechen auch in den nächsten Jahren vielfältige direkte Informationen zur chemischen und kristallographischen Struktur sonst unzugänglicher Bereiche unserer Erde. Besonderes Interesse gilt dabei, neben dem Vorstoß in den Unteren Erdmantel, der genaueren Charakterisierung der Schmelzen und Fluide, aus denen Diamanten kristallisieren.

Literatur:

[1] H. O. A. Meyer, In P.H.Nixon (Hrsg.): Mantle xenoliths. S. 501-522. J Wiley & Sons.  Chichester 1986. – [2] T. Stachel, K. S. Viljoen, G. P. Brey, J. W. Harris, Earth Planet. Sci. Lett. 159 , 1 (1998). – [3] P. Cartigny, J. W. Harris, M. Javoy, Science 280, 1421 (1998). – [4] R. O. Moore, J. J. Gurney, Nature 318, 553 (1985). – [5] B. Harte, J. W. Harris, Mineral. Mag. 58 A, 384 (1994). – [6] A. E. Ringwood, Geochim. Cosmochim. Acta 55, 2083 (1991).


 

 

geändert am 19. April 2012  E-Mail: Webmasterkautz@kristall.uni-frankfurt.de

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Druckversion: 19. April 2012, 09:08
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