Diamanten lösen das Rätsel der Hotspot-Vulkane

Das härteste bekannte Mineral, der Diamant, hat seinen Ursprung im Inneren der Erde. Erst in Tiefen von über 150 Kilometern sind Druck und Temperatur hoch genug, um die wertvollen Steine aus einfachem Kohlenstoff entstehen zu lassen. Eingeschlossen in magmatisches Gestein, den Kimberliten, gelangen sie bei Vulkanausbrüchen an die Erdoberfläche. Wissenschaftler aus Norwegen, Südafrika, Deutschland und den USA haben die Fundorte der Diamanten untersucht und zurückgerechnet, an welcher Stelle sie vor Millionen von Jahren einst zu Tage getreten sind. Denn zusammen mit den Kontinenten hat sich ihre heutige Position durch Plattenverschiebung verändert. Es stellte sich heraus, dass sich die meisten Funde auf einem Gebiet über dem heutigen Afrika gruppieren. Daraus können die Forscher schließen, dass die dem Kimberlittransport zu Grunde liegenden Plumes, Ströme von aufsteigendem Magma im Erdmantel, über mindestens 200 Millionen Jahre stabil bleiben. Außerdem können ihre Erkenntnisse wahrscheinliche Diamantenlagerstätten genauer eingrenzen.

Das heute allgemein anerkannte, aber nicht zweifelsfrei bewiesene Modell der Plumes wurde in den 60er Jahren entwickelt, um die Bildung von Vulkanen zu erklären, die sich nicht im Gebiet von Plattengrenzen befinden. Ein vertikaler Strom von heißem Material steigt dabei tief aus dem Erdmantel empor und schmilzt die Erdkruste teilweise auf. An diesen Hotspots bilden sich Vulkane oder weitläufige, gleichmäßig mit Magma überflutete Gebiete, die sogenannten magmatischen Großprovinzen. Der Ursprung dieser Plumes war mit seismischen Methoden bisher nicht eindeutig feststellbar gewesen. Wissenschaftler vermuteten ihn entweder an der Grenzschicht zwischen Erdkern und dem unterem Erdmantel in 2900 Kilometern Tiefe oder aber in der Übergangszone zwischen unterem und oberem Erdmantel in 660 Kilometern Tiefe.

Die Rekonstruktion der Fundorte bis zu der Zeit des Riesenkontinents Pangäa vor 320 Millionen Jahren zeigte, dass sich 80 Prozent der gefundenen Diamanten an den Rändern von großen Gebieten im untersten Erdmantel befanden, in denen sich seismische Scherwellen deutlich langsamer ausbreiten. Damit konnte die Kern-Mantel-Grenze als Ursprungsort der Plumes identifiziert werden. Es gibt zwei dieser Gebiete, die von den Forschern als Plume-Erzeugungs-Zonen bezeichnet werden. Eines befindet sich unter Afrika und das zweite liegt auf der gegenüberliegenden Seite unter dem Pazifik.

Die Landmassen des heutigen Afrika bewegten sich langsam, erst als Teil Pangäas und dann als Teil Gondwanas, über die Plume-Zone hinweg. Deswegen gibt es auf diesem Kontinent beträchtliche Diamantenvorkommen. Die größten Chancen auf neue Funde sind vor allem auf den ältesten Landmassen gegeben, die keiner tektonischen Umwälzung unterworfen waren, den sogenannten Kratonen.

Offensichtlich hat sich die Position der Plume-Zonen in den letzten 320 Millionen Jahren nicht geändert. Die Bewegung der Kontinente vor dieser Zeit ist nur schwer rekonstruierbar. Ein völliges Fehlen von Funden mit einem Alter von 370 bis 500 Millionen Jahren passt aber gut mit der Vermutung zusammen, dass sich Afrikas Landmassen zu dieser Zeit über dem Südpol außerhalb der Zonen befunden haben.

Die Wissenschaftler halten es für wahrscheinlich, dass die Plume-Zonen seit bereits 540 Millionen Jahren stabil sind. Damit könnten sie auch einen Beitrag zur Rekonstruktion der Plattentektonik vor der Zeit Pangäas liefern. Außerdem eröffnet sich erstmals eine mögliche wirtschaftliche Bedeutung von plattentektonischen Rekonstruktionen.

Mantelplumes schufen Diamanten-Lagerstätten
Rekonstruktion der Plattentektonik belegt Plumes als treibende Kraft der Kimberlit-Verteilung

Die heutige Verteilung diamantenreicher Kimberlit-Gesteine in der Erdkruste geht auf Vorgänge tief im Erdmantel zurück: Wie Wissenschaftler in „Nature“ berichten, waren Mantelplumes, von der Kern-Mantel-Grenze aufsteigende Bereiche besonders heißen Magmas, die treibende Kraft für die Kimberlit-Bildung. Sie kontrollierten die Verteilung praktisch aller in den letzten 540 Millionen Jahren entstandenen Kimberlit-Vorkommen weltweit.

Diamanten gehören zu den härtesten bekannten Mineralien, sind jedoch nicht anderes als eine besonders stabile Konformation des Kohlenstoffs. Sie entstehen unter extremsten Bedingungen: hohem Druck und Temperaturen von mehr als 1.000°C, wie sie beispielsweise im Erdmantel, mehr als 150 Kilometer tief unter der Erdoberfläche herrschen. Vor 70 bis 150 Millionen Jahren, teilweise aber auch schon vor 1,2 Milliarden Jahren, gelangten diese diamantenhaltigen Kimberlit-Gesteine über so genannte „Pipes“, Schlote vulkanischen Ursprungs, wieder an die Erdoberfläche.

Rekonstruktion der Plattentektonik-Bewegungen
Heute finden sich große Kimberlit-Lagerstätten vor allem in Südafrika, in Sibirien und Sierra Leone, aber auch in anderen Orten der Erde. Insgesamt sind mehrere tausend Kimberlit-Fundorte bekannt. Die meisten von ihnen liegen in Bereichen von Festlandskernen, sehr alter kontinentaler Kruste, die bis zu 2,5 Milliarden Jahre alt und rund 200 Kilometer dick ist. Was genau aber ihre Verteilung bestimmte, war bisher nur in Teilen bekannt.

Wissenschaftler der Universität von Oslo unter Leitung von Trond Torsvik haben nun die Bewegungen der tektonischen Platten – und speziell der Kimberlit-führenden Festlandskerne - in den letzen 540 Millionen Jahren rekonstruiert. Ihr Ziel dabei: Die damalige Lage der heute diamantenreichen Gebiete in Bezug auf den tiefen Erdmantel und dessen Prozesse zu bestimmen.

Mantelplumes als Kimberlit-Produzenten
Die Rekonstruktion ergab, dass die Kimberlite und Kimberlit-Ausbrüche sich überall dort häuften, wo im tiefen Erdmantel großräumige Zonen abweichender Eigenschaften endeten oder begannen. Nach Ansicht der Forscher entstanden in diesen Zonen Mantelplumes, die letztlich für die Entstehung der Kimberlite verantwortlich waren. Mantelplumes sind Bereiche im Erdmantel, in denen das Gesteinsmaterial heißer ist als die Umgebung und aufsteigt. Als Folge kann es an der Oberfläche zu verschiedenen Formen des Vulkanismus kommen. Auch das Aufsteigen des diamantenreichen Gesteins und die Bildung des Kimberlits geht darauf zurück, so die Schlussfolgerung von Torsvik und Kollegen.

Diamant-Atlas verrät Glitzerschätze in der Tiefe

Sie zählen zu den wertvollsten Mineralen überhaupt - jetzt haben Forscher ein Modell entwickelt, mit dem sie die Lage zukünftiger Diamantvorkommen vorhersagen können. Besonders attraktiv: Nord- und Westafrika.

Diamanten faszinieren nicht nur, weil sie zu Brillanten geschliffen werden können, geheimnisvoll funkeln und das härteste Mineral sind. Vor allem ihre Seltenheit macht sie begehrt - und teuer. Deswegen fahnden Schürfkonzerne weltweit nach neuen Vorkommen.

Bei ihrer Suche bekommen die Unternehmen nun Hilfe von der Wissenschaft, auch wenn sie dafür sehr langfristig planen müssen.

Denn Diamanten gelangen bei Explosionen an die Erdoberfläche - wenn Magma, das zahllose Edelsteine enthält, aus dem Boden schießt. Die Geschosse werden von Gas in die Höhe getrieben, genauso wie von Menschen konstruierte Raketen.

Zwar wurde die Entstehung eines Diamantschatzes noch nie direkt beobachtet. Allerdings zeigen geologische Ablagerungen, wie sich die Vorkommen bilden: Diamanten stecken meist in mächtigen Säulen aus Magmagestein, sogenannten Kimberlit-Schloten. Forscher schließen daraus, dass die Bodenschätze bei kleinen vulkanischen Explosionen entstanden sind: Kommt Magma in großer Tiefe mit Wasser in Kontakt, kann es mit Diamanten im Gepäck aus dem Boden schießen - so die Theorie.

Bislang glaubten Wissenschaftler, solche Schlote aus flüssigem Gestein könnten überall aus der Erde platzen. Doch nun können Geoforscher die Regionen eingrenzen - und vorhersagen, wo die nächsten lukrativen Magmaraketen zu erwarten sind.

Das Team um Trond Torsvik von der Universität Oslo und Bernhard Steinberger vom Geoforschungszentrum Potsdam hat Gebiete identifiziert, wo solche Explosionen zu erwarten sind. Dafür haben sie die Verschiebung der Erdplatten rekonstruiert. Das Modell haben sie im Wissenschaftsblatt "Nature" vorgestellt.

Die Forscher konnten damit zeigen, dass Diamanten an den immer gleichen Orten aus der Tiefe steigen. Die Erdplatten driften über sie hinweg. So kommen im Laufe der Erdgeschichte immer wieder andere Kontinente in den Genuss der Diamantlieferung aus der Tiefe.

Schweißbrenner unter Afrika

Derzeit liegen Afrika und der Pazifik über den Edelstein-Spendern: Unter beiden Regionen befindet sich mehr Magma als anderswo. Die Beobachtung von Erdbebenwellen hilft bei der Suche. Sie verlangsamen sich in diesen Regionen in der Tiefe - ein klarer Hinweis auf geschmolzenes Gestein.

An den Rändern dieser Magmazonen in rund 2900 Kilometern Tiefe steigt das flüssige Gestein in Säulen auf. Wie Kerzen auf einem Geburtstagskuchen umsäumen die Schlote die Magmaquelle.

Unter der Erdoberfläche wirkt das Magma dann wie ein Schweißbrenner: Es schneidet Löcher in die Gesteinskruste der sich darüber bewegenden Kontinentalplatten, Vulkane entstehen.

Diese Magmaschlote werden allerdings nur zu Diamantschleudern, wenn dicke Erdkruste sie zunächst blockierte, erklärt Steinberger. Vor allem unter alten Kontinenten, sogenannten Kratonen, können sich Diamanten im Magma anreichern. Damit es zur Edelsteinförderung kommt, muss sich der Untergrund zudem extrem aufheizen. Es dürfen also keine Vulkane in der Nähe sein, die Hitze kontinuierlich ableiten.

Diamant-Explosionen jederzeit möglich

Die Geoforscher um Torsvik und Steinberger konnten die Entstehung der meisten Diamantreservoire erklären, indem sie die Bewegungen der Erdplatten zurückverfolgten. Demnach waren meist Magma-Schneidbrenner unter dem heutigen Afrika für die Bildung der Lagerstätten verantwortlich (siehe Karten oben).

Dieselbe Magmaquelle liefert aber auch die Vorkommen, die heute in Südamerika gefunden werden. Eine Folge der Plattenverschiebung, denn vor Jahrmillionen driftete Südamerika über die Region, wo heute Afrika liegt.

Ähnliches passiert auch in andere Regionen. Die Magmaschlote unter dem Pazifik etwa erzeugten die reichhaltigen Diamantvorräte in Kanada: Das Land schob sich vor mehr als 500 Millionen Jahren über die pazifische Magmazone.

Aus Satellitenmessungen der Plattenbewegungen ließe sich ableiten, wo künftige Diamantvorräte entstünden, sagt Steinberger. "Als größter Favorit gelten Nordafrika und Westafrika", so der Geoforscher. Dort könnten jederzeit Magmageschosse mit Diamanten aus dem Boden emporsteigen.

Südafrika jedoch, wo die größten Vorkommen liegen, habe sich von den Magmaschloten mittlerweile zu weit entfernt und ist vom Nachschub an wertvollem Magma abgeschnitten. In einigen Millionen Jahren werden der Studie zufolge auch Nordaustralien und der Westen Südamerikas mit Diamanten aus der Tiefe beliefert. Beide Kontinente, sagt Steinberger, bewegten sich unaufhaltsam in Richtung der pazifischen Magmaschlote.

Ob das den heutigen Diamantsuchern weiterhilft, ist allerdings fraglich. Dafür müssten sie schon sehr weit in die Zukunft planen.

Bild1:
Heutige Vorkommen: Die Schatzkarte zeigt die größten bekannten Diamantlagerstätten. Fast alle bildeten sich einst in den gleichen Regionen (siehe nächste Karte). Mit den driftenden Erdplatten verschoben sich die Edelsteingebiete.

Bild2:
Quellen der Diamanten: Unter Afrika und unter dem Pazifik liegen die Magmazonen, aus denen sich Edelstein-Explosionen speisen. Kontinente, die sich über die Zonen schieben, kommen in den Genuss von Diamantlieferungen aus der Tiefe. Die Karte zeigt, wo einst Magmaraketen Diamanten an die Oberfläche geschossen haben. Damals sah die Weltkarte allerdings anders aus. Vor 200 Millionen Jahren lag Nordamerika dort, wo heute der Nordatlantik schwappt. Die Diamanten, die in der Karte im Nordatlantik eingezeichnet sind, finden sich also heute in Nordamerika (siehe vorherige Abbildung). Viele Hunderte Millionen Jahre zuvor driftete Nordamerika über die heutige Pazifikregion. Damals entstanden Diamantvorkommen, die sich heute in Kanada finden (siehe vorherige Abbildung).

Bild3:
Kimberley, Südafrika: "Das Große Loch" ist eine der größten Diamantlagerstätten. Mittlerweile ist das Vorkommen jedoch erschöpft. In schlotförmigem Magmagestein fanden Bergbauer Diamanten; mit schwerem Gerät schufen sie ein tiefes Loch. Die Edelsteine waren vor Jahrmillionen mit gasgetriebenem Magma an die Oberfläche gelangt. Kimberley ist der Prototyp der meisten Diamantlagerstätten, die Kimerlite genannt werden.