Kohlenstoff: Das Grundelement der Diamanten
Kohlenstoff (C) ist eines der häufigsten Elemente auf der Erde und bildet die Basis vieler organischer und anorganischer Verbindungen. Er kann in verschiedenen Formen, sogenannten Allotropen, vorkommen. Die beiden wichtigsten Modifikationen sind:
Graphit: Eine weiche, schwarzgraue Substanz mit einer
hexagonalen Schichtstruktur, die in Bleistiften verwendet wird.
Diamant: Ein extrem hartes, durchsichtiges Mineral mit einer
kubischen Kristallstruktur.
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Modifikationen liegt in der chemischen Bindung der Kohlenstoffatome. Während Graphit schwache Van-der-Waals-Kräfte zwischen seinen Schichten aufweist, sind die Kohlenstoffatome im Diamantgitter durch starke kovalente Bindungen in einer dreidimensionalen Anordnung verbunden. Diese Anordnung verleiht dem Diamanten seine außergewöhnliche Härte.
Diamanten entstehen unter speziellen geologischen Bedingungen, die nur in den Tiefen des Erdmantels gegeben sind. Die wichtigsten Faktoren für die Bildung eines Diamanten sind:
- Hoher Druck: Mindestens 5 bis 6 Gigapascal (GPa), was etwa 50.000-60.000-fachem Atmosphärendruck entspricht.
- Hohe Temperatur: Zwischen 1.200°C und 1.500°C.
- Tiefe: Diamanten bilden sich in 150 bis 200 km Tiefe.
Unter diesen extremen Bedingungen beginnt der Kohlenstoff, sich von einer metastabilen Form (z. B. Graphit oder kohlenstoffreiche Minerale) in die thermodynamisch stabilere Diamantstruktur umzuwandeln.
Die Rolle des Metasomatismus
Metasomatismus ist ein geologischer Prozess, bei dem heiße, kohlenstoffreiche Fluide durch das Gestein des Erdmantels fließen und dabei dessen chemische Zusammensetzung verändern. Die wichtigsten Gesteine, die von diesem Prozess betroffen sind, sind Peridotit und Eklogit. Dabei passiert Folgendes:
1. Kohlenstofflösliche Fluide steigen auf: Diese Fluide bestehen aus Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂) und anderen Schmelzkomponenten. Sie stammen aus tieferen Erdschichten und bewegen sich langsam durch das Gestein, wodurch sie chemische Elemente transportieren und umverteilen.
2. Auflösung von Kohlenstoff: Der Kohlenstoff stammt aus
oxidierten Mineralen, Karbonaten oder organischem Material, das durch
Subduktion tief in die Erde gelangt ist. Die heißen Fluide lösen den Kohlenstoff
aus diesen Quellen und transportieren ihn weiter.
3. Kohlenstoff-Kristallisation: Unter den richtigen
Druck- und Temperaturbedingungen fällt der gelöste Kohlenstoff aus der Schmelze
aus und bildet Diamantkristalle. Dies geschieht über einen Zeitraum von
Millionen bis Milliarden Jahren.
Peridotit und Eklogit – Die Wirtsgesteine der Diamanten
Peridotit:
- Peridotit ist ein ultramafisches Gestein, das hauptsächlich aus Olivin (Mg₂SiO₄) und Pyroxenen besteht.
- Es ist das Hauptgestein des oberen Erdmantels und erscheint grünlich bis schwarz.
- Wenn kohlenstoffreiche Fluide durch Peridotit strömen, kann es zu einer chemischen Reaktion kommen, bei der neue Minerale entstehen und sich Kohlenstoff in Diamantform kristallisieren kann.
Eklogit:
- Eklogit ist ein Hochdruckmetamorphit, das aus ehemaligen ozeanischen Basalten entstanden ist.
- Es besteht hauptsächlich aus Granat (rot) und Omphacit (grünlich).
- Eklogit kann ebenfalls als Muttergestein für Diamanten dienen, insbesondere wenn karbonathaltige Fluide Kohlenstoff aus der Tiefe transportieren und zur Diamantbildung führen.
Was passiert mit den Wirtsgesteinen während der
Diamantbildung?
Sowohl Peridotit als auch Eklogit erfahren chemische Veränderungen, wenn Diamanten in ihnen wachsen. Durch die Interaktion mit magmatischen Fluiden kann es zu einer Umwandlung von Mineralen kommen. Zum Beispiel können Silikate aufgelöst und durch neue Hochdruckminerale ersetzt werden. In einigen Fällen hinterlassen die chemischen Prozesse charakteristische Spuren im Gestein, die später als Indikatoren für Diamantvorkommen genutzt werden können.
Weitere Bedeutung der Wirtsgesteine
Neben der Diamantbildung spielen Peridotit und Eklogit eine wesentliche Rolle in der geologischen Entwicklung der Erde:
- Peridotit: Als Hauptbestandteil des oberen Erdmantels trägt Peridotit zur Dynamik der Plattentektonik bei. Zudem ist es eine wichtige Quelle für Magmen, die vulkanische Prozesse auf der Erdoberfläche speisen.
- Eklogit: Da Eklogit durch Subduktion von Ozeankruste entsteht, ist es ein wichtiger Hinweis auf die Bewegung der Erdplatten und die Umwandlung von Krustengestein unter Hochdruckbedingungen.
Transport der Diamanten zur Erdoberfläche
Einmal gebildet, verbleiben Diamanten für Millionen von Jahren im oberen Erdmantel. Sie gelangen erst dann an die Erdoberfläche, wenn sie durch vulkanische Aktivitäten nach oben transportiert werden. Dies geschieht durch explosive Kimberlit- oder Lamproit-Eruptionen. Diese Eruptionen sind extrem schnell und katapultieren das Magma mit hoher Geschwindigkeit an die Oberfläche.
Die Geschwindigkeit ist entscheidend für die Erhaltung der Diamanten. Erfolgt der Aufstieg zu langsam, wandeln sich die Diamanten durch steigende Temperaturen und geringeren Druck in Graphit oder amorphen Kohlenstoff um. Deshalb müssen die vulkanischen Eruptionen innerhalb von Stunden bis Tagen ablaufen und mit einer Geschwindigkeit von 10-30 km/h erfolgen. Der plötzliche Druckabfall beim Erreichen der Oberfläche sorgt dafür, dass die Diamanten in Kimberlit-Gestein eingebettet bleiben und nicht zerstört werden.
Die Entstehung von Diamanten ist ein geologisch und chemisch komplexer Prozess, der durch hohe Druck- und Temperaturbedingungen, die Lösung von Kohlenstoff in magmatischen Fluiden und die anschließende Kristallisation gesteuert wird. Der Metasomatismus spielt eine entscheidende Rolle, da er den Kohlenstoff transportiert und zur Bildung von Diamanten führt. Die Wirtsgesteine Peridotit und Eklogit sind dabei essenziell, da sie als Medium für die Kristallisation dienen. Der endgültige Transport der Diamanten an die Erdoberfläche erfolgt durch seltene vulkanische Ereignisse, deren Geschwindigkeit für die Erhaltung der Diamanten von entscheidender Bedeutung ist.
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