Laut einer neuen Studie des MIT und anderer Universitäten könnten im Erdinneren mehr als eine Billiarde Tonnen Diamanten verborgen sein. Doch die neuen Ergebnisse dürften keinen Diamantenrausch auslösen. Die Wissenschaftler schätzen, dass die wertvollen Mineralien mehr als 100 Meilen unter der Oberfläche vergraben sind, viel tiefer, als jemals eine Bohrexpedition erreicht hat.
Der ultratiefe Cache kann innerhalb von Kratonwurzeln verstreut sein – den ältesten und unbeweglichsten Gesteinsabschnitten, die unter der Mitte der meisten kontinentalen tektonischen Platten liegen. Kratone haben die Form umgekehrter Berge und können sich bis zu 200 Meilen tief durch die Erdkruste und in den Erdmantel erstrecken. Geologen bezeichnen ihre tiefsten Abschnitte als „Wurzeln“.
In der neuen Studie schätzen Wissenschaftler, dass kratonische Wurzeln 1 bis 2 Prozent Diamant enthalten könnten. Unter Berücksichtigung des Gesamtvolumens der Kratonwurzeln in der Erde geht das Team davon aus, dass etwa eine Billiarde (10 16 ) Tonnen Diamant in diesen alten Gesteinen verstreut sind, 90 bis 150 Meilen unter der Oberfläche.
„Das zeigt, dass Diamant vielleicht nicht dieses exotische Mineral ist, aber auf der [geologischen] Ebene relativ häufig vorkommt“, sagt Ulrich Faul, Forscher in der Abteilung für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften des MIT. „Wir kommen nicht an sie ran, aber trotzdem gibt es dort viel mehr Diamanten, als wir jemals gedacht hätten.“
Zu Fauls Co-Autoren gehören Wissenschaftler der University of California in Santa Barbara, des Institut de Physique du Globe de Paris, der University of California in Berkeley, der Ecole Polytechnique, der Carnegie Institution of Washington, der Harvard University und der University of Science and Technology of China, die Universität Bayreuth, die University of Melbourne und das University College London.
Ein Tonfehler
Faul und seine Kollegen kamen zu ihrer Schlussfolgerung, nachdem sie über eine Anomalie in den seismischen Daten rätselten. In den letzten Jahrzehnten haben Behörden wie der United States Geological Survey weltweit Aufzeichnungen über seismische Aktivitäten geführt – im Wesentlichen über Schallwellen, die sich durch die Erde ausbreiten und durch Erdbeben, Tsunamis, Explosionen und andere erschütternde Quellen ausgelöst werden. Seismische Empfänger auf der ganzen Welt empfangen Schallwellen von solchen Quellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Intensitäten, mit denen Seismologen beispielsweise feststellen können, wo ein Erdbeben entstanden ist.
Wissenschaftler können diese seismischen Daten auch nutzen, um ein Bild davon zu erstellen, wie das Erdinnere aussehen könnte. Schallwellen bewegen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch die Erde, abhängig von der Temperatur, Dichte und Zusammensetzung der Gesteine, durch die sie wandern. Wissenschaftler haben diesen Zusammenhang zwischen seismischer Geschwindigkeit und Gesteinszusammensetzung genutzt, um die Gesteinsarten abzuschätzen, aus denen die Erdkruste und Teile des oberen Erdmantels, auch Lithosphäre genannt, bestehen.
Bei der Verwendung seismischer Daten zur Kartierung des Erdinneren konnten Wissenschaftler jedoch eine merkwürdige Anomalie nicht erklären: Schallwellen neigen dazu, erheblich schneller zu werden, wenn sie durch die Wurzeln alter Kratone wandern. Kratone sind bekanntermaßen kälter und weniger dicht als der umgebende Mantel, was wiederum zu etwas schnelleren Schallwellen führen würde, aber nicht ganz so schnell wie gemessen.
„Die gemessenen Geschwindigkeiten sind schneller als das, was wir unserer Meinung nach mit vernünftigen Annahmen über das, was da ist, reproduzieren können“, sagt Faul. „Dann müssen wir sagen: ‚Es gibt ein Problem.‘ So begann dieses Projekt.“
Diamanten in der Tiefe
Das Team wollte die Zusammensetzung der Kratonwurzeln identifizieren, die die Spitzen der seismischen Geschwindigkeiten erklären könnten. Zu diesem Zweck verwendeten die Seismologen des Teams zunächst seismische Daten des USGS und anderer Quellen, um ein dreidimensionales Modell der Geschwindigkeiten seismischer Wellen zu erstellen, die sich durch die großen Kratone der Erde ausbreiten.
Als nächstes nutzten Faul und andere, die in der Vergangenheit Schallgeschwindigkeiten durch viele verschiedene Arten von Mineralien im Labor gemessen hatten, dieses Wissen, um virtuelle Gesteine aus verschiedenen Kombinationen von Mineralien zusammenzusetzen. Dann berechnete das Team, wie schnell sich Schallwellen durch jedes virtuelle Gestein ausbreiten würden, und fand nur eine Gesteinsart, die die gleichen Geschwindigkeiten erzeugte wie die von den Seismologen gemessenen: eine, die zusätzlich zu Peridotit (dem vorherrschenden Gestein) 1 bis 2 Prozent Diamant enthält Art des oberen Erdmantels) und geringe Mengen an Eklogit (der subduzierte ozeanische Kruste darstellt). Dieses Szenario stellt mindestens 1.000 Mal mehr Diamanten dar, als die Menschen bisher erwartet hatten.
„Diamant ist in vielerlei Hinsicht etwas Besonderes“, sagt Faul. „Eine seiner besonderen Eigenschaften ist, dass die Schallgeschwindigkeit im Diamant mehr als doppelt so hoch ist wie im dominierenden Mineral im Gestein des oberen Erdmantels, Olivin.“
Die Forscher fanden heraus, dass eine Gesteinszusammensetzung von 1 bis 2 Prozent Diamant gerade ausreichen würde, um die höheren Schallgeschwindigkeiten zu erzeugen, die die Seismologen gemessen hatten. Dieser kleine Diamantanteil würde auch die Gesamtdichte eines Kratons nicht verändern, der von Natur aus weniger dicht ist als der umgebende Mantel.
„Sie sind wie Holzstücke, die auf dem Wasser schwimmen“, sagt Faul. „Kratone sind etwas weniger dicht als ihre Umgebung, sodass sie nicht in die Erde zurücktauchen, sondern an der Oberfläche schweben. So bewahren sie die ältesten Gesteine. Wir haben also herausgefunden, dass man nur 1 bis 2 Prozent Diamant braucht, damit Kratone stabil sind und nicht sinken.“
In gewisser Weise, sagt Faul, machen kratonische Wurzeln, die teilweise aus Diamant bestehen, Sinn. Diamanten werden in der Hochdruck- und Hochtemperaturumgebung der tiefen Erde geschmiedet und gelangen nur durch Vulkanausbrüche, die alle paar zehn Millionen Jahre auftreten, in die Nähe der Oberfläche. Bei diesen Ausbrüchen entstehen geologische „Röhren“ aus einer Gesteinsart namens Kimberlit (benannt nach der Stadt Kimberley in Südafrika, wo die ersten Diamanten dieser Gesteinsart gefunden wurden). Diamant kann zusammen mit Magma aus der Tiefe der Erde durch Kimberlitrohre auf die Erdoberfläche geschleudert werden.
Kimberlitrohre wurden größtenteils an den Rändern kratonischer Wurzeln gefunden, beispielsweise in bestimmten Teilen Kanadas, Sibiriens, Australiens und Südafrikas. Es wäre also sinnvoll, dass kratonische Wurzeln etwas Diamant in ihrer Zusammensetzung enthalten sollten.
„Es sind Indizienbeweise, aber wir haben alles zusammengefügt“, sagt Faul. „Wir sind die verschiedenen Möglichkeiten aus jedem Blickwinkel durchgegangen, und dies ist die einzige, die als vernünftige Erklärung übrig geblieben ist.“
Diese Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation unterstützt.