Kimberlite sind magmatische Gesteine, die tief im Erdinneren entstehen und durch Vulkanausbrüche an die Oberfläche gebracht werden. Auf ihrer turbulenten Reise nach oben assimilieren die Magmen andere Mineralien, die als Xenolithe (griechisch für „fremde Gesteine“) bezeichnet werden. Zu den Xenolithen, die in Kimberlit gefunden werden, gehören auch Diamanten, und die überwiegende Mehrheit der heute weltweit geförderten Diamanten wird in Kimberliterzen gefunden. Wie genau Kimberlite den notwendigen Auftrieb für ihren langen Aufstieg durch die Erdkruste erhalten, ist jedoch ein Rätsel.
Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Professor Donald Dingwell, Direktor des Departments für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU, hat nun nachgewiesen, dass assimilierte Gesteine, die auf dem Weg aufgenommen werden, für den nötigen Auftrieb sorgen. Das ursprüngliche Magma ist basisch, aber durch die Einlagerung von Silikatmineralen, die während des Aufstiegs aufgenommen werden, wird die Schmelze saurer. Dies führt zur Freisetzung von Kohlendioxid in Form von Blasen, die die Dichte der Schmelze verringern und sie im Wesentlichen zum Schäumen bringen. Das Endergebnis ist eine Erhöhung des Auftriebs des Magmas, was seinen weiteren Aufstieg begünstigt. „Da unsere Ergebnisse unser Verständnis der Entstehung von Kimberlit verbessern, werden sie bei der Suche nach neuen diamanthaltigen Erzen nützlich sein und die Bewertung bestehender Quellen erleichtern“, sagt Dingwell.
Die meisten bekannten Kimberlite bildeten sich in der Zeit zwischen 70 und 150 Millionen Jahren, einige sind jedoch über 1200 Millionen Jahre alt. Im Allgemeinen findet man Kimberlite nur in Kratonen, den ältesten erhaltenen Bereichen der kontinentalen Kruste, die den Kern der kontinentalen Landmassen bilden und seit ihrer Entstehung vor Äonen praktisch unverändert geblieben sind. Kimberlitische Magmen bilden sich in einer Tiefe von etwa 150 km unter der Erdoberfläche, d. h. in viel größeren Tiefen als andere vulkanische Gesteine. Die Temperaturen und der Druck in diesen Tiefen sind so hoch, dass Kohlenstoff in Form von Diamanten auskristallisieren kann. Wenn kimberlitische Magmen durch lange Kamine vulkanischen Ursprungs, so genannte Röhren, gepresst werden, wie das Wasser in einem Schlauch, wenn die Düse verengt wird, nimmt ihre Geschwindigkeit deutlich zu, und die eingelagerten Diamanten werden wie in einem Aufzug nach oben befördert. Aus diesem Grund befinden sich die meisten Diamantenminen der Welt in Kimberlit-Röhren. Aber Diamanten sind nicht die einzigen Passagiere. Kimberlite nehmen auf ihrer langen Reise ins Licht auch viele andere Gesteinsarten mit.
Trotz dieser „Zusatzlast“ reisen Kimberlit-Magmen schnell und treten in explosiven Eruptionen an die Erdoberfläche. „Es wird allgemein angenommen, dass flüchtige Gase wie Kohlendioxid und Wasserdampf eine wesentliche Rolle bei der Bereitstellung des notwendigen Auftriebs für den schnellen Aufstieg von Kimberlit-Magmen spielen“, sagt Dingwell, „aber es war nicht klar, wie sich diese Gase im Magma bilden.“ Mit Hilfe von Laborexperimenten, die bei entsprechend hohen Temperaturen durchgeführt wurden, konnte Dingwells Team zeigen, dass die assimilierten Xenolithe eine wichtige Rolle bei diesem Prozess spielen. Das Urmagma tief im Erdinneren wird als basisch bezeichnet, weil es hauptsächlich aus karbonathaltigen Bestandteilen besteht, die auch einen hohen Anteil an Wasser enthalten können. Wenn das aufsteigende Magma mit silikathaltigen Gesteinen in Berührung kommt, werden diese in der Schmelze gelöst, wodurch die Schmelze sauer wird. Je mehr Silikate eingelagert werden, desto höher ist der Sättigungsgrad des in der Schmelze gelösten Kohlendioxids, da die Löslichkeit des Kohlendioxids abnimmt. Wenn die Schmelze gesättigt ist, bildet das überschüssige Kohlendioxid Blasen.
„Das Ergebnis ist ein ständiges Aufschäumen des Magmas, das seine Viskosität verringern kann und mit Sicherheit den Auftrieb verleiht, der für den sehr heftigen Ausbruch an der Erdoberfläche notwendig ist“, erklärt Dingwell. Je schneller das Magma aufsteigt, desto mehr Silikate werden mitgerissen, und desto größer wird die Konzentration der gelösten Silikate – bis schließlich die freigesetzten Mengen an Kohlendioxid und Wasserdampf die heiße Schmelze mit großer Kraft wie eine Rakete nach oben treiben.
Die neuen Erkenntnisse erklären auch, warum Kimberlite nur in alten kontinentalen Kernen vorkommen. Nur hier ist die Kruste ausreichend reich an kieselsäurereichen Mineralien, um ihren Aufstieg voranzutreiben, und außerdem ist die kratonische Kruste außergewöhnlich dick. Das bedeutet, dass der Weg an die Oberfläche entsprechend länger ist und das aufsteigende Magma reichlich Gelegenheit hat, mit silikatreichen Mineralien in Kontakt zu kommen.