Diamanten entstehen in saurer Umgebung
Rund 20 Tonnen Diamanten werden jährlich an etwa 700 Fundorten geschürft. Ihren Ursprung haben sie im oberen Erdmantel in 150 bis 660 Kilometer Tiefe, danach wurden die wertvollen Kristalle meist über vulkanische Aktivitäten Richtung Oberfläche transportiert. Die detaillierten Entstehungsprozesse bei hohen Temperaturen und Drücken sind allerdings nur ansatzweise geklärt. Diese Wissenslücke konnten nun Geowissenschaftler mit einer neuen Simulation teilweise stopfen. In der Fachzeitschrift „Nature Communications“ stellen sie einen neuen Reaktionsmechanismus vor, der von einer deutlichen Senkung des pH-Werts mineralreicher Fluide bei der Entstehung von Diamanten begleitet wird.

„Unsere Ergebnisse legen die Grundlage für eine bessere Theorie zum Kohlenstoffzyklus in der Tiefe der Erde“, sagt Dimitri Sverjensky von der Johns Hopkins University in Baltimore, USA. Dazu entwickelte er mit seinem Kollegen Fang Huang ein Computermodell, das das Verhalten von mineralreichen Flüssigkeiten im Kontakt zu Silikatgesteinen – sogenanntem Eklogit – in großer Tiefe simulierte. In einer 900 Grad heißen Umgebung und unter hohem Druck von fünf Gigapascal war demnach ein mehrstufiger Prozess möglich, bei dem Magnesiumkarbonat mit Protonen aus einer sauren Flüssigkeit reagierte. Dadurch sank der pH-Wert der mineralischen Fluide. Parallel konnte reiner Kohlenstoff für die Diamantbildung entstehen. Bisher gingen Geowissenschaftler davon aus, dass sich Diamanten ausschließlich über Redox-Reaktionen aus eingeschlossenem Methan oder Kohlendioxid bilden konnten. Diesen Weg halten Sverjensky und Huang zwar weiterhin für möglich, doch konnten sie ihn um einen weiteren Mechanismus ergänzen. Mit Experimenten etwa in einer Hochdruckzelle könnte nun dieser bisher nur simulierte Prozess der Diamantenbildung bestätigt werden.

Lukrative Hinweise, wo in Zukunft noch erfolgreicher nach Diamanten geschürft werden könnte, hatten sich die beiden Wissenschaftler allerdings nicht zum Ziel gesetzt. Doch könnte ihr Ansatz die Zusammensetzung der häufig in Diamanten eingeschlossenen Flüssigkeiten erklären helfen. Insgesamt besteht damit die Möglichkeit, den Kreislauf von Kohlenstoffverbindungen im oberen Erdmantel nachzuzeichnen und mehr über die komplexen Vorgänge in der Tiefe der Erde zu erfahren.

Diamanten entstehen häufiger als gedacht
Schon eine Änderung des pH-Werts im Gestein lässt die Edelsteine entstehen

Edelsteine aus dem Säurebad: Tief unter der Erde liegen wahrscheinlich mehr Diamanten verborgen als bisher gedacht. Denn Forscher haben nun eine dritte, zuvor unbekannte Bildungsart dieser Kohlenstoff-Kristalle entdeckt. Demnach reicht es für ihre Bildung aus, wenn mineralienreiches Porenwasser im Gestein plötzlich saurer wird. Kommen dann Hitze und Druck dazu, entstehen Minidiamanten, so die Wissenschaftler im Fachmagazin "Nature Communications".

Ein Diamant ist letztlich nichts anderes als Kohlenstoff, der unter großer Hitze und hohem Druck im Erdmantel komprimiert und in seine typische Kristallstruktur gebracht wurde. Vulkanische Aktivität beförderte das diamanthaltige Gestein an die Erdoberfläche. Doch damit die Diamantbildung beginnt, müssen im Erdmantel ganz spezielle Bedingungen herrschen – so dachte man bisher: Im Porenwasser des Gesteins müssen Kohlendioxid oder Methan gelöst sein, die in chemischen Redox-Reaktionen den Kohlenstoff für den Edelstein liefern.

Sauer macht Diamanten
Doch es geht offenbar sehr viele simpler, wie nun Dimitri Sverjensky und Fang Huang von der Johns Hopkins University in Baltimore mit einem chemisch-physikalischen Modell nachweisen. "Die Bildung von Diamanten tief im Erdinneren könnte daher ein sehr viel gewöhnlicherer und häufigerer Prozess sein als wir bisher dachten", so Sverjensky.

Wie die Forscher herausfanden, reicht es für die Diamantbildung schon aus, wenn das mit gelösten Mineralen versetzte Porenwasser im Mantelgestein plötzlich deutlich saurer wird, der pH-Wert demnach abfällt. Durch die Interaktion von Wasser und umgebenden Gestein führt dies dazu, dass kohlenstoffhaltige Mineralien ausgefällt werden und bei entsprechendem Druck und hoher Temperatur Minidiamanten entstehen.

Mehr Diamanten in der Tiefe
Das Besondere daran: Diese Diamantbildung läuft auch ohne die bisher als Standard geltenden Redox-Reaktionen ab und klappt auch dann, wenn kein Methan oder Kohlendioxid anwesend sind. Das wiederum bedeutet, dass Diamanten auch in Gesteinsarten enthalten sein könnten, die bisher als ungeeignet dafür galten. "Und es werden tatsächlich Diamanten in mehr und mehr verschiedenen Gesteinsarten entdeckt", so Sverjensky.

Die neuen Erkenntnisse bedeuten allerdings nicht, dass Diamanten nun zum Allerwelts-Edelstein werden. Denn die auf die neue Weise gebildeten Diamanten sind meist nur wenige Mikrometer groß und daher nicht gerade der Stoff, aus dem die Juweliersträume sind. Zudem liegen sie tief unter der Erdkruste verborgen – für uns unerreichbar. Nur dort, wo Vulkane einst Mantelgestein an die Oberfläche beförderten, kommen sie in unsere Reichweite. (Nature Communications, 2015; doi: 10.1038/ncomms9702)