In einigen Diamanten steckt Eis VII, eine Form von gefrorenem Wasser, die an der Erdoberfläche unter normalen Bedingungen nicht bestehen kann. Sie wird erst oberhalb von etwa 2,4 Gigapascal stabil, also bei einem Druck von ungefähr 24.000 Atmosphären. In untersuchten Diamanten blieb dieser Druck in winzigen Einschlüssen teilweise bis zu 24 Gigapascal erhalten. Die Kristalle wirken damit wie druckfeste Kapseln aus Hunderten Kilometern Tiefe. Entscheidend ist jedoch nicht nur das Eis selbst, sondern die Frage, was es über Wasser weit im Erdmantel verrät.
Im Jahr 2018 untersuchte ein Team um den Geowissenschaftler Oliver Tschauner von der University of Nevada, Las Vegas, Diamanten mit winzigen Einschlüssen aus dem tiefen Erdmantel. Für die Analyse nutzten die Forscher unter anderem stark gebündelte Röntgenstrahlung am Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory in Illinois, wodurch die Kristallstruktur der eingeschlossenen Stoffe sichtbar wurde, ohne den Diamanten dafür vollständig zerstören zu müssen.
Unter den Einschlüssen fanden sich Kristalle aus H2O, die sich von gewöhnlichem Eis wie in einem Gefrierfach deutlich unterscheiden. Ihre Struktur entsprach Eis VII, einer besonders dichten Hochdruckform von Wasser, deren grundlegende Untersuchungsergebnisse nachzulesen sind unter Science. Dadurch wurde ein unscheinbarer Punkt im Diamanten zu einer direkten Probe für Bedingungen tief unter der Erdoberfläche.
Wasser besitzt mehrere feste Formen, weil sich seine Moleküle je nach Temperatur und Druck zu unterschiedlichen Kristallstrukturen anordnen können. Das Eis an Seen oder in Haushaltsgefrierfächern unterscheidet sich deshalb von Eis VII, dessen Stabilitätsgrenze bei Raumtemperatur ungefähr 2,4 Gigapascal beträgt. Ein Gigapascal entspricht einer Milliarde Pascal, sodass dieser Druck etwa 24.000-mal so hoch ist wie der normale Luftdruck auf Meereshöhe.
Unter solchen Bedingungen sitzen die Wassermoleküle deutlich dichter zusammen als in gewöhnlichem Eis, weshalb Eis VII an der Oberfläche nicht einfach als kleiner Eiswürfel bestehen kann. Sobald der Druck entfernt wird, ist diese Kristallform unter normalen Bedingungen nicht stabil, doch in einem Diamanten kann das extrem harte Kohlenstoffgitter eine eingeschlossene Tasche so stark zusammendrücken, dass ein großer Teil des Drucks auch nach dem Aufstieg erhalten bleibt.
In der Science-Arbeit werden für die untersuchten Eis-VII-Einschlüsse Restdrücke bis zu 24 Gigapascal genannt, was ungefähr dem 240.000-Fachen des normalen Luftdrucks entspricht. Ein solcher Wert würde in einer gewöhnlichen Gesteinsprobe nach einer Reise bis zur Erdoberfläche nicht erhalten bleiben, während der Diamant wie ein winziger Hochdruckbehälter wirkt, dessen Wände aus einem der härtesten bekannten natürlichen Materialien bestehen.
Gerade diese Eigenschaft macht Diamanten für Geowissenschaftler besonders wertvoll, weil sie beim Wachstum kleine Mengen ihrer Umgebung einschließen und später nach oben transportieren können. Viele andere Minerale verändern sich auf dem Weg durch Erdmantel und Erdkruste so stark, dass ihre ursprünglichen Bedingungen nur indirekt rekonstruiert werden können, während selbst ein kilometerlanger Bohrkern aus dem Erdmantel nur einen sehr viel flacheren Teil des Erdinneren erreicht als diese supertiefen Diamanten.
Ein großer Teil der Hinweise weist in die sogenannte Mantelübergangszone, die ungefähr zwischen 410 und 660 Kilometern Tiefe liegt und damit weit unterhalb jeder direkten Bohrung beginnt. Selbst die tiefsten Bohrungen der Menschheit reichen nur etwas mehr als zwölf Kilometer in die Erdkruste, sodass diese Zone mehr als dreißigmal tiefer beginnt und dort wichtige Mantelminerale unter dem gewaltigen Druck ihre Kristallstruktur verändern.
Die Eis-VII-Einschlüsse stammen aus Diamanten aus Orapa in Botswana, aus Shandong in China und aus Namaqualand im südlichen Afrika. Aus dem Druck der Einschlüsse und weiteren Mineralen lässt sich ableiten, dass einige dieser Diamanten in der Mantelübergangszone entstanden, während andere Proben aus noch größerer Tiefe stammen können. Die Fachübersicht des Gemological Institute of America beschreibt für die untersuchten Einschlüsse einen Bereich von etwa 7 bis 28 Gigapascal und ordnet ihn grob Tiefen von rund 220 bis 880 Kilometern zu, nachzulesen unter Gemological Institute of America.
Der Name Eis VII kann den Eindruck erwecken, tief im Erdmantel lägen feste Eiskristalle in Hohlräumen, doch genau das ist nicht die Aussage der Untersuchung. Nach der Interpretation der Forscher wurde beim Wachstum des Diamanten zunächst ein wasserreiches Fluid eingeschlossen, also ein Stoff, der sich wie eine Flüssigkeit oder ein Gas verformen und bewegen kann. Beim späteren Aufstieg und Abkühlen änderten sich Druck und Temperatur in dieser Einschlusskammer.
Dabei kristallisierte ein Teil des eingeschlossenen Wassers zu Eis VII, während der Diamant den inneren Druck hoch genug hielt, damit diese Hochdruckform bis zur Untersuchung erhalten blieb. Eis VII ist deshalb eher eine konservierte Spur des wasserreichen Fluids als ein Hinweis auf einen unterirdischen Eissee, denn der Fund beweist keine riesigen freien Wassermengen, sondern zeigt lokal wasserreiche Fluide in großen Tiefen des Erdmantels.
Eine Substanz gilt in der Mineralogie nicht automatisch als Mineral, nur weil sie im Labor hergestellt werden kann, denn entscheidend ist unter anderem ein natürlicher und eindeutig beschriebener Fund. Eis VII war lange aus Hochdruckexperimenten bekannt, bevor der Nachweis in einem natürlichen Diamanten aus Orapa einen solchen Fundort lieferte. Die International Mineralogical Association führte die Hochdruckform als IMA 2017-029; Anerkennung und Fundbeschreibung sind nachzulesen unter European Journal of Mineralogy.
Seine Kristallstruktur ist kubisch, also würfelförmig aufgebaut, während die natürlichen Einschlüsse selbst nur wenige Mikrometer groß sind. Ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter, und einige der beschriebenen Kristalle maßen nur wenige Mikrometer in jeder Richtung, womit sie kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares waren. Dennoch reichte ihre Größe aus, um die charakteristische Kristallstruktur mit Röntgenbeugung zu bestimmen.
Der Fund von Eis VII bestätigt nicht, dass die gesamte Mantelübergangszone mit großen Mengen freien Wassers gefüllt ist, weil Wasser dort auf verschiedene Arten vorkommen kann. Es kann als wasserreiches Fluid in kleinen Bereichen vorhanden sein oder chemisch in Mineralstrukturen gebunden werden, wobei besonders Wadsleyit und Ringwoodit, zwei Hochdruckminerale der Mantelübergangszone, Wasser in Form von Wasserstoffbestandteilen in ihrem Kristallgitter aufnehmen können.
Wie viel Wasser tatsächlich in der gesamten Zone gespeichert ist, lässt sich aus einigen Diamanten nicht zuverlässig hochrechnen, doch die Funde zeigen, dass Wasser bis in diese Tiefen gelangen und dort bewegliche Fluide bilden kann. Eine mögliche Quelle sind absinkende Erdplatten, die bei der Subduktion wasserhaltige Minerale in den Erdmantel transportieren, sodass ein Teil des globalen Wasserkreislaufs nicht nur zwischen Ozeanen, Atmosphäre und Erdkruste verläuft, sondern über geologische Zeiträume auch tief in das Erdinnere reichen kann.
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