Auf der Suche nach dem verlorenen Stickstoff – Diamanten geben einen Einblick in die Chemie des tiefen Erdinneren

Ein Diamant aus der Juina-Serie (Mikroskopaufnahme: A. Schreiber, GFZ).

Einschluss von Fremdmaterial (schwarzer Pfeil, Mikroskopaufnahme A. Schreiber, GFZ).

04.09.2017: Stickstoff ist eines der rätselhaftesten Elemente im System Erde. Egal, wo gemessen wird, ob in der Atmosphäre oder im Festgestein, überall treffen Forschende auf das „missing nitrogen“-Problem: Im Vergleich zu anderen Planten gibt es auf der Erde offenbar viel zu wenig davon. Die Wissenschaftler Felix Kaminsky, KM Diamond Exploration, Kanada, und Richard Wirth, GFZ-Sektion Chemie und Physik der Geomaterialien, haben nun einen „Zeugen“ aus den Tiefen der Erde aufgespürt, der das Rätsel lösen kann.

Stickstoff ist auf der Erde mit 78 Prozent der Hauptbestandteil der Luft und ein wichtiges Bauelement aller Lebewesen. Ein Vergleich mit anderen Planeten ergibt jedoch, dass auf der Erde noch viel mehr von diesem Element vorkommen müsste. Neuesten Schätzungen zufolge fehlen in der Gleichung bis zu 90 Prozent Stickstoff. Doch wo sind diese Vorkommen? Nach bisherigen Hypothesen könnte ein großer Teil des Stickstoffs während der Entstehung der Erde oder durch einen Meteoriteneinschlag in den Weltraum entgast sein. Nach einer weiteren Hypothese befinden sich große Mengen im Inneren der Erde, im Erdmantel oder Erdkern. Da Messgeräte nicht bis in diese Tiefen vordringen können, war das jedoch bisher nicht mehr als eine Vermutung.

Diamanten aus dem Nordwesten Brasiliens liefern nun den entscheidenden Hinweis. In Rio Soriso durchschlugen tiefreichende vulkanische Schlote, Kimberlit-Schlote genannt, die Erdkruste und beförderten dabei die Diamanten an die Erdoberfläche. Felix Kaminsky und Richard Wirth haben sich die chemische Zusammensetzung von Material-Einschlüssen in diesen Diamanten genau angesehen und ihre Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift American Mineralogist veröffentlicht. Wirth: „Diamanten werden unter hohem Druck und hoher Temperatur im Erdmantel gebildet und durch vulkanische Aktivität an die Oberfläche befördert. Ihre chemische Zusammensetzung und die des eingeschlossenen Fremdmaterials sind also ein Abbild der Chemie des Erdinneren“.

Diamanten aus Kimberlit-Schloten kommen auch an anderen Orten auf der Erde vor, zum Beispiel in Südafrika, Sibirien und im kanadischen Schild. Die Diamanten von Rio Soriso sind jedoch besonders reich an Einschlüssen. Sie stammen aus den untersten Schichten des unteren Erdmantels und ermöglichen so einen seltenen Einblick in die Tiefe. Am GFZ hat Wirth die Einschlüsse mittels verschiedener elektronenmikroskopischer Verfahren analysiert und identifiziert.

Wirth: „Im Unterschied zu anderen Diamantvorkommen auf der Erde weisen die Einschlüsse in den Rio Soriso-Diamanten große Mengen an Stickstoff auf. Wir konnten hier erstmalig Eisennitride und Carbonitride, also chemische Verbindungen von Eisen und Kohlenstoff mit Stickstoff, als Einschlüsse nachweisen.“ Damit hat die Wissenschaft einen eindeutigen Beleg dafür, dass Stickstoff im unteren Erdmantel und Erdkern vorhanden ist. Die Forscher gehen davon aus, dass Eisen- und Carbonitride typische chemische Verbindungen an der Kern-Mantel-Grenze sind. Wirth: „Flüssiges Metall transportiert vermutlich die Verbindungen aus dem Erdkern in die untersten Schichten des unteren Mantels.“ Der „missing nitrogen“, oder der „verlorene“ Stickstoff im Erdsystem scheint gefunden. (ak)

Originalstudie: Kaminsky, F., Wirth, R., 2017. Nitrides and carbonitrides from the lowermost mantle and their importance in the search for Earth’s “lost” nitrogen. American Mineralogist 102, 1667-1676. DOI: 10.2138/am-2017-6101