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Hauchdünne Scheiben aus Diamant geben Einblick in geologische Prozesse

Diamanten geben Einblick in geologische Prozesse (Foto: R. Wirth, GFZ).
Anja Schreiber bei der Arbeit (Foto: J. Zens, GFZ).

21.06.2016: Den Juwelieren und Minenbetreibern sind sie ein Dorn im Auge, für Geologen aber eine wertvolle Informationsquelle: Trübungen, genauer gesagt Einschlüsse, in Diamanten bergen wichtige Informationen. Dank einer neuen Untersuchungsmethode ist es jetzt gelungen, aus solchen Einschlüssen den ersten direkten Nachweis für einen bestimmten Entstehungsprozess der Edelsteine zu führen. Demnach entstehen Diamanten auch durch „Redox-Gefrieren“: ein Prozess, bei dem Kohlenstoff im Erdmantel zu Diamant kristallisiert.

Dorrit E. Jacob hat mit einer Kollegin und einem Kollegen von der australischen Macquarie University und der University of Sydney eine Arbeit in Nature Communications veröffentlicht. Die Proben für die Untersuchungen hat Anja Schreiber vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ präpariert. Die Studie zeigt, dass die Reduktion von Karbonat zu Diamant über die Oxidation von Eisensulfid zu Eisenoxid gesteuert wird und die Diamant-Kristallisation auf der Oberfläche dieser Einschlüsse beginnt.

Für den Nachweis nutzten die Forscherinnen und Forscher eine neue Technologie, die aus der Materialwissenschaft stammt: die Transmission-Kikuchi-Methode. Dieses Verfahren verlangt dünne Proben mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometern. Die untersuchte Diamantprobe enthielt Eisensulfid-Einschlüsse. Der Rand eines Einschlusses besteht aus einer Aneinanderreihung von Magnetit-Nanokristallen, die eine unterschiedliche kristallographische Orientierung zueinander haben. Diese Orientierungsunterschiede sollten gemessen werden. Dazu musste die vorliegende Probe, die mit einem fokussierten Ionenstrahl (Englisch: focussed ion beam, FIB) bereits ausgedünnt worden war, nachgedünnt werden. Anja Schreiber ist es erstmals gelungen, eine solche FIB-Probe auf einem Kohlenstoff-Trägernetz erfolgreich nachzudünnen. Ohne diese Nachdünnung wäre diese Studie nicht möglich gewesen.

Das Ergebnis trägt zur Lösung einer seit Jahrzehnten offenen Frage bei. Diamant-Fachleute fragten sich seit Langem, wieso Schwefelverbindungen (Sulfide) so häufig als Einschlüsse in Diamanten vorkommen. Eisensulfide sind die häufigsten Einschlüsse, obwohl Schwefel mit 0,02 % äußerst selten im Erdmantel vorkommt. Jetzt zeigt sich, dass die Oxidierung der Eisensulfide direkt zum zur Bildung von Diamanten führt – die dann eben jene Sulfide als Einschluss bergen.  

“D.,E. Jacob, S. Piazolo, A. Schreiber, P. Trimby, 2016. Redox-freezing and nucleation of diamond via magnetite formation in the Earth’'s mantle”. Nature Communications 7, 11891. doi: 1038/ncomms11891

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