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Geologie: Steine für die Ewigkeit

Sein Name leitet sich vom Griechischen "adamas" ab - unbezwingbar, was Diamanten relativ gut beschreibt. Wie widerständig sie tatsächlich sind, zeigen neue Funde aus dem westlichen Australien: Sie könnten mit die ältesten Steine der Erde sein.
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Sie haben äußerlich sehr wenig mit jenen Schmuckstücken gemein, die einst von Marylin Monroe als der Damen beste Freunde besungen wurden. Denn die von Forschern um Martina Menneken von der Universität Münster in Australien gefundenen Diamanten sind mikroskopisch klein. Wie viele andere mineralische Einschlüsse in den von den Geowissenschaftlern untersuchten Zirkonkörnern messen sie kaum mehr als einen Mikrometer im Durchmesser. Für die Forschung sind sie aber ähnlich wertvoll: Sie könnten wegen ihres hohen Alters die Frühgeschichte der Erde maßgeblich miterklären.

Heiß oder kalt?

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Winzigster Diamant | An ihnen hätte Marylin Monroe kaum Freude gehabt, für die Wissenschaft sind sie aber Gold wert: Uralte, winzigste Diamanten aus einem Zirkon-Mineral – dem ältesten Zeugnis der Erdgeschichte.
Die Zeit vor 4,5 bis 4 Milliarden Jahre vor heute bezeichnen die Geologen nicht ohne Grund als Hadaikum – ein Begriff, der vom griechischen Hades stammt und trefflich die dunklen und vermutlich höllisch-heißen Bedingungen auf unserem Planeten zu Beginn seiner Existenz beschreibt. Zumindest war sich die Wissenschaft lange ziemlich sicher, dass die Erdoberfläche damals weit gehend aus glutflüssiger Lava bestand – allenfalls ihre äußerste Schicht kühlte sich soweit ab, dass sie dünn, aber sehr empfindlich verkrustete. Aus der Gesteinsschmelze ausgeschwitzter Wasserdampf konnte bei den herrschenden 6000 Grad Celsius nicht kondensieren, sodass es mehrere hundert Millionen Jahre dauerte, bis die ersten Ozeane entstanden.

Dieser Lehrmeinung stehen mittlerweile jedoch winzige wie sehr alte Zirkonminerale gegenüber, die die letzten Relikte lang verwitterter Gesteine sind und bereits 4,3 Milliarden Jahre auf dem Buckel haben. Demnach hätte es nur rund 200 Millionen Jahre gedauert, bis unser Planet sich soweit abgekühlt hatte, dass sich nicht nur festes Land, sondern ebenso schon Ozeane bilden konnten. Das Hadaikum fiele damit bedeutend kürzer aus, als im alternativen Szenario veranschlagt. Welches der beiden stimmt nun?

Harte Zeitzeugen

Zirkonminerale haben als einzige Zeitzeugen die tektonischen Kräfte der Erde wie das kosmische Bombardement mit Meteoriten überdauert und finden sich als sekundäre Beigaben in sehr alten Sedimentgesteinen, in deren Ausgangsmaterial sie chemisch und physikalisch unverändert abgelagert wurden. Dank dieser Resistenz können sie Auskünfte geben über die Umweltbedingungen ihrer Epoche und die Art und Entstehung ihres Ausgangsgesteins: In den Mineralen eingeschlossene Uran-, Thorium- oder Blei-Isotope beispielsweise lassen ziemlich exakt das Alter der Körner errechnen, seltene Erdmetalle helfen magmatisches von metamorphem – das heißt unter Druck und Temperatur abgelaufenes – Gesteinswachstum zu unterscheiden, und kleinste Mineraleinschlüsse innerhalb des Zirkons zeigen die Zusammensetzung des ursprünglichen Felsmaterials an.

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Diamant in Zirkon | Winkelförmiger Diamanteneinschluss in einem Zirkon
Bislang gefundene hadaische Zirkone wurden auf dieser Basis bereits auf eine magmatischen Quelle zurückgeführt, aus der sie vor bis zu 4,25 Milliarden Jahren hervorgingen. Ihr Kristallisationspunkt lag bei etwa 680 Grad Celsius. Und ihre Chemie spricht für eine Mischung aus geschmolzenen Krusten- und Mantelgesteinen, von denen der Krustenanteil zuvor schon Kontakt mit flüssigem Wasser gehabt haben musste. Das zumindest zeigen starke Anreicherungen mit dem Sauerstoff-Isotop 18 an: Zumindest örtlich oder zeitlich begrenzt war die Erde also schon so weit erkaltet, dass sich Gewässer bildeten.

Die Entdeckungen von Menneken und ihren Kollegen stellen dieses Szenario nun jedoch wieder stärker in Frage. In ungefähr jedem zwanzigsten Zirkon aus den Jack Hills in Westaustralien wiesen sie diamantene Einschlüsse nach, die ebenfalls bis zu 4,25 Milliarden Jahre alt sind. Doch die schmucken Steine entstehen nur unter sehr hohem Druck – beispielsweise bei einem Meteoriteneinschlag oder in großen Tiefen. Sollten also wirklich nur Temperaturen von 680 Grad Celsius vorgelegen haben, als die vorliegenden hadaischen Zirkone aufkamen, musste mindestens ein Druck von 3,5 Gigapascal herrschen, damit sich die Diamanten bildeten und in der Magma stabil blieben: Bedingungen, wie sie erst in 100 Kilometern Tiefe unter der Erdoberfläche erreicht werden.

Wie entstanden die Diamanten

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Diamant in Zirkon | Nadelförmiger Diamant in Zirkon
Weitere chemische Anzeichen für einen derart hohen Druck tragen die Zirkone jedoch nicht. Und sollten doch noch welche gefunden werden, so waren dann keine geschmolzenen Krustengesteine an der Mineralbildung beteiligt: Das Konzept einer frühen Erdabkühlung wäre hinfällig. Die Forscher können sich diese Diskrepanzen jedenfalls noch nicht recht erklären und diskutieren deshalb zwei unterschiedliche Szenarien. So wäre es möglich, dass die Diamanten bereits kurz vor den Zirkonen auf die Welt kamen, als ein Meteorit mit Wucht einschlug – nachträglich hätten Zirkone unterschiedlichen Alters diese aufgenommen. Alternativ hätte sich die harte Kohlenstoff-Konfiguration im Laufe der ersten Milliarde Erdjahre immer wieder durch einen unbestimmten Prozess neu gebildet und ihren jeweils gleich alten Begleitern angeschlossen.

Für den Geowissenschaftler Ian Williams von der australischen National-Universität in Canberra sind diese Schlüsse unbefriedigend. Womöglich, so seine These, gelangte Kohlenstoff in Form von Graphit in das Zirkon, das dann durch geotektonische Ereignisse unter Druck geriet. Dadurch entstanden die Diamanten, ohne dass sich die weiteren chemischen oder isotopischen Bestandteile des Zirkons veränderten – Analysen der Kohlenstoff-Zusammensetzungen könnten dies klären und die These einer frühen Erdabkühlung festigen. Doch gleich welche Meinung sich durchsetzt, aufgrund ihres hohen Alters tragen die Diamanten ihren Beinamen "Die Unbezwingbaren" mehr denn je zurecht.
23.08.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 23.08.2007

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