Warum Olivin und Diamanten beste Freunde sind

Diamanten sind der beste Freund einer Frau, wie Marilyn Monroe vor 70 Jahren sang - und eine riesige Knacknuss f¨¹r Menschen, die nach ihnen suchen. ?Diamantenproduzenten w¨¹nschten sich manchmal, sie w¨¹rden Gold, Kupfer oder einem anderen Rohstoff f?rdern, denn nichts ist so kompliziert wie Diamanten zu entdecken und abzubauen?, betont Andrea Giuliani, Senior Scientist am Institut f¨¹r Geochemie und Petrologie der ETH Z¨¹rich. ?Es gibt keine Methode, die garantiert, Diamanten zu finden.?

Seit 2015 befasst Giuliani sich mit der Entstehung und dem Vorkommen des Edelsteins. Daf¨¹r hat der Geologe, damals noch an der Universit?t Melbourne, unz?hlige Proben von Kimberlit untersucht, ein bl?ulich bis schwarzes Gestein magmatischen Ursprungs. Denn Diamanten sind nur dort zu finden, wo es Kimberlit gibt. Und diese wiederum kommen nur auf sehr alten Kontinentalbl?cken vor, die geologisch ¨¹ber Milliarden von Jahren unver?ndert blieben: vorwiegend in Kanada, S¨¹damerika, im zentralen und s¨¹dlichen Afrika, in Australien und Sibirien. ?Nur schon die Suche nach einem Kimberlit gleicht der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen?, so Giuliani. ?Hat man dieses Gestein einmal gefunden, f?ngt die aufwendige Diamantensuche erst richtig an.?

Viel Eisen, keine Diamanten

Giuliani und seine Kolleg:innen haben nun eine Methode entwickelt, die das Aufsp¨¹ren von Diamantenlagerst?tten k¨¹nftig vereinfacht. Dabei st¨¹tzen sie sich auf die chemische Zusammensetzung von Kimberliten. Schon fr¨¹h war Giuliani n?mlich aufgefallen, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen dem Vorkommen von Diamanten und Olivin ¨C einem Mineral, das rund die H?lfte von Kimberlit-Gestein ausmacht.

Olivin besteht aus unterschiedlichen Anteilen von Magnesium und Eisen. Je mehr Eisen Olivin enth?lt, desto weniger Magnesium hat das Mineral und umgekehrt. ?In Gesteinsproben, in denen das Olivin sehr eisenhaltig war, gab es keine Diamanten oder nur sehr wenige?, so die Feststellung der Forschenden. ?Wir begannen, weitere Proben und Daten zu sammeln ¨C immer mit dem gleichen Resultat.? Die Untersuchungen best?tigten schliesslich, dass das Eisen-Magnesium-Verh?ltnis von Olivin direkt mit dem Diamantgehalt des Kimberlit-Gesteins zusammenh?ngt.

Mit diesen Erkenntnissen wandte sich Giuliani an den Diamantenproduzenten und -h?ndler De Beers, der ihm die Kimberlitproben zur Verf¨¹gung gestellt hatte. De Beers war interessiert, unterst¨¹tzte die wissenschaftlichen Untersuchungen finanziell und bat die Forschenden, die Resultate vorl?ufig nicht zu ver?ffentlichen. 2019 kam Giuliani als Ambizione Fellow an die ETH Z¨¹rich und begann, unterst¨¹tzt durch den Schweizerischen Nationalfonds, nach Erkl?rungen f¨¹r den Zusammenhang zwischen dem Magnesium-Eisen-Gehalt von Olivin und dem Vorkommen von Diamanten zu suchen.

Diamanten m?gen kein ?Stop-and-Go?

Dazu untersuchten die Forschenden der ETH Z¨¹rich, wie sich die sogenannte Metasomatose, die im Erdinnern stattfindet, auf Diamanten auswirkt. Bei der Metasomatose wird Gestein durch heisse Fl¨¹ssigkeiten und Schmelze angegriffen. Die im Gestein vorhandenen Minerale reagieren dabei mit den in den Fluiden gel?sten Stoffen zu anderen Mineralen.

Die Geolog:innen analysierten Kimberlit-Proben, die Olivine mit einem hohen Eisengehalt aufwiesen - und demnach keine Diamanten. Sie fanden heraus, dass Olivin dort eisenhaltiger wird, wo Schmelze in den lithosph?rischen Mantel eindringt und die Zusammensetzung der Gesteine stark ver?ndert. Und in genau dieser Schicht, in rund 150 Kilometern Tiefe, kommen Diamanten vor. Durch die Infiltration der Schmelze, welche f¨¹r eisenhaltigeres Olivin sorgt, werden die Diamanten zerst?rt. Wenn hingegen keine oder nur sehr wenig Schmelze aus darunter liegenden Schichten in den lithosph?rischen Mantel eindringt und somit keine Metasomatose stattfindet, enth?lt Olivin viel Magnesium - und Diamanten bleiben erhalten.

?Unsere Studie zeigt, dass Diamanten nur dann intakt bleiben, wenn Kimberlite auf ihrem Weg nach oben einzig Mantelfragmente mitnehmen, die noch nicht stark mit vorheriger Schmelze interagiert haben?, sagt Giuliani. Dazu muss man wissen, dass Kimberlite normalerweise nicht in einem Durchgang an die Erdoberfl?che gelangen. Vielmehr beginnen sie als fl¨¹ssige Masse aufzusteigen, nehmen unterwegs Mantelfragmente auf, erkalten und bleiben dann stecken. In einem n?chsten Impuls folgt mehr Schmelze aus der Tiefe, nimmt Bestandteile des erkalteten Erdmantels mit, steigt h?her, erkaltet, bleibt stecken. Dieser Prozess kann mehrmals stattfinden. ?Es ist ein regelrechtes ?Stop-and-go? mit Schmelzen, Aufstieg, Verfestigung. Und das wirkt sich zerst?rerisch aus auf Diamanten?, sagt Giuliani. Herrschten hingegen jene Bedingungen, die Kimberlite direkt an die Oberfl?che aufsteigen liessen, dann sei das ideal f¨¹r den Erhalt der Diamanten, erkl?rt der Forscher.

De Beers wendet Olivin-Analyse bereits an

Die Olivin-Analyse ist so zuverl?ssig wie bisherige Prospektionsmethoden, die sich vorwiegend auf die Minerale Klinopyroxen und Granat st¨¹tzen. Die neue Methode ist aber weniger aufwendig und schneller: Es braucht nur wenige Analysen, um eine Vorstellung davon zu haben, ob man sich in einem Kimberlit-Feld befindet, in dem man Diamanten finden kann oder nicht.

Die Analyse von Olivin erg?nzt die bisherigen Messungen und tr?gt zu einem vollst?ndigeren Bild bei. ?Das Grossartige an dieser neuen Methode ist nicht nur die Vereinfachung, sondern auch, dass sie es uns endlich erm?glicht zu verstehen, warum die bisherigen Methoden funktioniert haben?, sagt der Senior Scientist. Und er erg?nzt: ?De Beers wendet die neue Methode bereits an.?