Vulkane spucken Diamanten

Heute, Millionen Jahre nach solchen Eruptionen, zeigen sich Kimberlit-Vulkane nicht mehr als Berge. Im Gegenteil: Als vertikale, mit Fels gefüllte, karottenförmige Schlote, sogenannte Pipes, reichen sie kilometertief in den Untergrund. An der Oberfläche ähneln sie Maar-Vulkanen, wie beispielsweise in der Eifel.

Kontinente zerbersten

Auffällig ist ein schon vor Jahren beschriebener Zusammenhang zwischen dem Auftreten der Kimberlit-Vulkane und den vergangenen Superkontinenten. Bei der Datierung fiel Geologen eine verdächtige Häufung auf: Die Kimberlite markieren oft das Entwicklungsende dieser enormen Landmassen. Ein internationales Team um Thomas Gernon von der südenglischen University of Southampton hat dies genauer untersucht. „Das Muster der Diamanten-Eruptionen ist zyklisch und folgt dem Rhythmus der Superkontinente“, sagt Gernon. „Bisher wussten wir jedoch nicht, welcher Prozess dazu führt, dass Diamanten plötzlich an die Erdoberfläche gebracht werden, nachdem sie Millionen oder Milliarden Jahre lang in 150 Kilometer Tiefe geruht haben.“

In der 2023 erschienenen Studie untersuchten die Geoforscher nicht nur das Zerbrechen von Superkontinenten, sondern auch die Fragmentierung kleinerer tektonischer Platten und deren Einfluss auf den Kimberlit-Vulkanismus. Die Datierungen zeigten, dass sich die Kimberlit-Eruptionen im Lauf der Zeit von den kontinentalen Rändern hin zu den Zentren verschieben. Dies geschieht mit ähnlichen Raten sowohl in Afrika als auch in Nord- und Südamerika. Im globalen Durchschnitt wandert der diamanthaltige Kimberlit-Vulkanismus mit 20,6 Kilometern in einer Million Jahren von den kontinentalen Rändern weg.

Die meisten Kimberlite befinden sich in den Kratonen, also den rund 200 Kilometer dicken und mehrere Milliarden Jahre alten Kernen der Kontinente. Diese sind für ihre Stabilität bekannt. Selbst wenn Superkontinente zerbrechen, bleiben die Kratone intakt. Warum das Kimberlit-Magma ausgerechnet in den dicksten und härtesten Teilen der Erdkruste zum Durchbruch kam, dem vermeintlichen Ort des größten Widerstands, war lange ein Rätsel. „Da stand der sprichwörtliche Elefant im Raum, für den niemand eine Erklärung hatte“, sagt Gernon.

Bevor eine tektonische Platte auseinanderbricht, wird sie im Lauf vieler Jahrmillionen dünner, was Geologen als Rifting bezeichnen. Bildet sich dabei ein Graben, kann dies unterschiedliche Ursachen haben. Zum Beispiel hat der Zusammenstoß der Adriatischen Platte mit Eurasien, der die Alpen auftürmte, auch den Rheingraben und den tschechischen Egergraben aufgerissen. Beide Grabenstrukturen sind heute weitgehend inaktiv.

Anders in Ostafrika: „Dort senkte sich die Erdoberfläche ab und schuf einen Grabenbruch, das Rift Valley. Irgendwann wird dann Meerwasser einströmen, wie beim Roten Meer“, beschreibt es Sascha Brune. Sein Team am Helmholtz-Zentrum für Geoforschung in Potsdam war mit Computersimulationen an Gernons Kimberlit-Studie beteiligt.

Teetasse und Erdmantel

Beim Rifting verändert sich auch die Unterseite der Erdplatte. Stücke davon, sie werden als Kiele bezeichnet, sinken in den tiefen Erdmantel, während heißeres Gestein von unten in den freiwerdenden Raum vorstößt. Flüssig gewordener Fels bahnt sich nun den Weg nach oben. Die Lage ist instabil, weil heißes und dünnflüssiges Gestein gegen kaltes, zähflüssiges Gestein drückt. Eine sogenannte Rayleigh-Taylor-Instabilität kann die Folge sein – ein fundamentaler Prozess der Strömungsphysik. Auch im Alltag lässt sich dies beobachten, etwa in einer Teetasse, in die etwas Milch gegeben wird. Breitet sich die im Vergleich zum Tee schwerere Milch in der Tasse aus, entstehen typische, kurzlebige Muster.

Den Modellrechnungen zufolge setzt die Rayleigh-Taylor-Instabilität eine Art Kettenreaktion in Gang. Davon betroffen ist die Kontinentalwurzel, das ist der tiefste Teil der Lithosphäre, die wiederum die Kruste und den oberen Mantel umfasst. „Das Tempo, mit dem sich die Störung fortsetzt, ist von den Materialeigenschaften des Mediums abhängig“, erläutert Brune. Um ein realistisches Modell zu berechnen, verwendete sein Team Daten, die andere Forscher in ihren Laboren gemessen hatten, beispielsweise zur Viskosität des Mantelgesteins oder dessen Reaktion auf Deformationen.

Die Kettenreaktion vollzieht sich sehr gemächlich in großen geologischen Zeiträumen. Sie schreitet lediglich 15 bis 20 Kilometer pro Jahrmillion voran – das Tempo einer Schnecke ist millionenfach rasanter. Die Übereinstimmung der Geschwindigkeit aus der Computersimulation und der Datierung der Kimberlite ist bemerkenswert und spricht für die Modellrechnung.

Das Gestein im Untergrund wirkt wie ein Hobel. „Die Strömungen entlang der Unterseite von Erdplatten entfernen eine beträchtliche Menge an Gestein“, sagt Brune. Davon sind Gesteinsmassen betroffen, die Dutzende Kilometer dick sind. Die Folge: Die Platte wird enorm geschwächt. „Letztlich erreicht die Kettenreaktion auch Regionen, die weit entfernt von Riftzonen liegen.“

Die Studie zeichnet ein neues Bild davon, wie die aufreißenden Erdplatten einen fortlaufenden vulkanischen Prozess auslösen. Er ist auch für Prospektoren von Interesse. Denn die Resultate könnten helfen, bislang unentdeckte Kimberlit-Vorkommen aufzuspüren – samt darin enthaltener Diamanten. Und wissenschaftlich hat die Studie noch eine weitere Facette: Sie kann großräumige Veränderungen der Landschaft erklären.