Ringwoodit – Mineralogisches Alphabet R

Mente et Malleo

Das Mineral Ringwoodit ist, zumindest an der Erdoberfläche, eines der selteneren Minerale. Trotzdem, oder vielleicht auch gerade deshalb ist es in dieser Woche so etwas wie der Hauptdarsteller unter den Mineralen. Das liegt daran, dass es neben seinem Vorkommen in Meteoriten (wo es als natürliches Mineral zuerst nachgewiesen wurde) vor allem im Erdmantel vorkommt. Und dort eine wichtige Rolle spielt, die des Wasserträgers.

 

Doch eines nach dem anderen. Das Mineral Ringwoodit wurde zu ehren des australischen Geowissenschaftlers Ted Ringwood (1930 – 1993) benannt, der die Phasenübergänge von Olivin und Pyroxen im Erdmantel erforscht hat( zum Beispiel mit einer Diamantstempelzelle). Olivin, also eigentlich die Minerale der Olivingruppe, sind eines der dominaten Minerale im Oberen Erdmantel und chemisch vereinfacht (Mg,Mn,Fe)2[SiO4]. Olivin ist ein Inselsilikat, dessen Kristallstruktur einer hexagonalen dichtesten Kugelpackung entspricht. Dabei stellen die Sauerstoffatome die Packungsebenen dar, während die Siliziumatome die Tetraederlücken und Eisen beziehungsweise Magnesium die Oktaederlücken füllen.

Diese Struktur ist aber nicht unbegrenzt stabil. Irgendwann ist der Druck für Olivin zu hoch, und das Mineral beginnt sich umzuwandeln. Dies passiert zum ersten Mal ab einer Tiefe von 410 Kilometern. Dort befindet sich eine markante Diskontinuität, bei der die Geschwindigkeit von Erdbebenwellen relativ abrupt schneller wird. Hier wandelt sich Olivin in das Mineral Wadsleyit um. Wadsleyit hat die selbe chemische Zusammensetzung wie Olivin, aber eine andere Kristallstruktur (β-Spinell) und somit andere physikalische Eigenschaften.

Wenn es noch tiefer in den Erdmantel hinabgeht, wird auch der Wadsleyit instabil und muss sich dem enormen Druck, der dort unter herrscht, anpassen. Dies passiert ab einer Tiefe von 520 Kilometern. Hier kann man wieder eine Diskontinuität, also eine rapide Zunahme der Geschwindigkeit seismischer Wellen beobachten.

Hier geht Wadsleyit in das Mineral Ringwoodit über, ebenfalls (Mg,Fe2+)2(SiO4), aber wieder eine andere Kristallstruktur (γ-Spinell). Sie ist gegenüber der β-Spinell-Struktur etwas ungestörter. Hier liegen die Sauerstoffe als kubisch-dichteste Kugelpackung vor. Die Tetraederlücken werden zu einem achtel von 2-fach positiven Elementen wie Fe2+ und Mg2+ besetzt. Die Oktaederlücken werden zur Hälfte von Silizium besetzt. Ab einer Tiefe von 660 Kilometern wandelt sich Ringwoodit dann in Perowskit um.

Ringwoodit kristallisiert in der Raumgruppe Fdӟm und damit im kubischen Kristallsystem (wie jeder gute Spinell). Das bedeutet auch, dass das Mineral optisch isotrop ist, also in allen kristallographischen Richtungen die selben optischen Eigenschaften besitzt, zum Beispiel den Lichtbrechungsindex von 1,768.

Bleibt noch die Frage, welche Farbe das Mineral hat. Das ist nicht so ganz einfach. Synthetisch hergestellter Mg-Ringwoodit ist farblos. Mit steigendem Eisengehalt zeigt der Ringwoodit eine immer tiefere Blaufärbung. Sie hängt wahrscheinlich mit Fe2+-Fe3+ Ladungsübergängen zusammen. In der Natur zeigt sich Ringwoodit oft in unterschiedlichen Färbungen von farblos über grün, violett bis bläulich.

Das Phänomen, dass eine Substanz bei unveränderter chemischer Zusammensetzung unterschiedliche Kristallstrukturen aufweisen kann, wird als Polymorphismus bezeichnet. Oft kann man diese Strukturunterschiede ganz praktisch nutzen, wie unser Beispiel Ringwoodit zeigt, braucht es einen bestimmten Druckbereich von gut 18 bis 23 GPa, damit die Struktur stabil ist. Damit kann man umgekehrt auf den Druck und damit auf die Versenkungstiefe eines Gesteins schließen, in dem man eine bestimmte Modifikation deines Polymorphen gefunden hat. Ein weiteres bekanntes Beispiel in der Mineralogie sind die Aluminiumsilikat-Polymorphen von Al2[O|SiO4], Kyanit, Andalusit und Sillimanit, die als einfaches Geobarometer dienen.

Das ist aber nicht der eigentliche Grund, warum das Mineral Ringwoodit so faszinierend ist. Dazu bedarf es noch einer anderen Eigenschaft. Ringwoodit kann nämlich in seiner Struktur Wasser aufnehmen. Das darf man sich aber nicht so vorstellen wie bei einem Schwamm, denn das Wasser ist in dem Mineral als Hydroxidion (OH) gebunden. In Hochdruckexperimenten, zum Beispiel mit Diamantstempelzellen, konnte man bis zu 2,5 Volumenprozent Wasser in dem Mineral unterbringen. Das ist eine ganze Menge, und zusammen mit der (angenommenen) Häufigkeit des Minerals im Erdmantel kommt da schon das Äquivalent eines ganzen Ozeans am Wasser im inneren der Erde hinzu.

Es hat aber einen Grund, dass Ringwoodit zuerst, nachdem Ted Ringwood es künstlich synthetisiert hatte, in einem Meteoriten nachgewiesen wurde (wodurch es erst zu einem Mineral wurde). Auf der Erde konnte man Ringwoodit bislang (soweit ich weiß) noch nicht nachweisen. Bis jetzt jedenfalls.

Denn genauso wie Olivin bei steigendem Druck und größerer Versenkungstiefe zuerst in Wadsleyit und später in Ringwoodit umgewandelt wird, geht es im umgekehrten Fall. Sobald der Druck nachlässt, wandelt sich auch Ringwoodit erst in Wadsleyit und später, wenn der Druck noch weiter sinkt, wieder in Olivin um. Retrograde Metamorphose nennt der Mineraloge das.

Daher ist es nicht sehr leicht, an Minerale zu gelangen, die tief unter uns im Erdmantel häufig sind. Damit die den Aufstieg aus sehr großer Tiefe überstehen, ohne sich umzuwandeln, muss uns die Natur schon ein klein wenig unter die Arme greifen. Oft passiert dies, indem zum Beispiel ein anderes Mineral um unseres herumkristallisiert. Wenn das Passiert, dass ist das eingeschlossene Mineral oft „gepanzert“ und kann durchaus größere Druck und Temperaturschwankungen überstehen, ohne sich gleich umzuwandeln. Dazu muss dann aber dennoch ein rascher Aufstieg erfolgen, damit sich das Hochdruckmineral nicht schnell auf das neue Gleichgewicht einstellen kann.

Beides kam in diesem Fall zusammen. Der Ringwoodit war in einem winzigen Diamanten eingeschlossen. Dieser muss ziemlich schnell aus sehr großer Tiefe aufgestiegen sein, damit seine er das ganze ohne Schaden überstehen konnte. Der Diamant selber stammt aus einem Kimberlit, und Kimberliteruptionen sind recht gasreich und können entsprechend schnell selbst aus großer Tiefe an die Erdoberfläche gelangen, vielleicht vergleichbar mit einem Mentos, den man in eine Colaflasche wirft.

Damit dürfte auch deutlich werden, dass zumindest manche der diamantführenden Kimberlite ihre Wurzeln durchaus in sehr großer Tiefe im Erdmantel haben können. Und infrarotspektroskopischen Untersuchungen zufolge enthielt der eingeschlossene Ringwoodit 1,4 Volumenprozent Wasser. Daher dürfte die Erdmantelregion, aus der er ursprünglich stammte, wohl einen deutlichen Gehalt an Wasser gehabt haben.

Der Fund selber ist eigentlich purer Zufall. Die Diamanten aus Juína in Brasilien stammen aus großer Tiefe und sind haben auf ihrem Weg an die Erdoberfläche einiges durchgemacht. Und das sieht man ihnen auch an, daher sind sie als Schmuckdiamanten auch nicht sonderlich begehrt. Für die Geowissenschaftler stellen sie aber durchaus interessante Botschafter aus dem Erdinneren dar.

Eigentlich hatten die Forscher um Graham Pearson von der University of Alberta ein ganz anderes Ziel. Sie wollten einen Weg finden, die Diamanten zu datieren, also ihr Alter herausfinden. Das wirft die Frage auf, ob in Diamanten eingeschlossene Ringwoodite bislang einfach übersehen wurden. Denn die Hitze, die beim Polieren der Diamanten in der Probenvorbereitung auftritt, reicht ohne weiteres dafür aus, die eingeschlossenen Hochdruckphasen wieder in normalen Olivin zurückzuverwandeln.

Es sind manchmal die Kleinen Dinge, die uns große Geschichten über unseren Erde erzählen. Und genauso oft hilft der Zufall, dass wir sie auch sehen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gunnar Ries

Gunnar Ries studierte in Hamburg Mineralogie und promovierte dort am Geologisch-Paläontologischen Institut und Museum über das Verwitterungsverhalten ostafrikanischer Karbonatite. Er arbeitet bei der CRB Analyse Service GmbH in Hardegsen. Hier geäußerte Meinungen sind meine eigenen

2 Kommentare

  1. Eine spannende Geschichte, nur fehlt mir daran ein kleines Detail, nämlich die Entstehung des Diamanten. Sogenannte ultratiefe Diamanten entstehen im unteren Erdmantel, wenn an einer besonders schnellen und kühlen Subduktionszone die Entwässerung in “normaler” Tiefe nicht vollständig ist und die letzten wasserhaltigen Minerale erst im unteren Erdmantel zerfallen. Das führt zur Schmelzbildung in der abtauchenden Platte, die Schmelze dringt in den Mantel ein und durch Redox-Reaktionen zwischen Schmelze und Mantel entstehen Diamanten. Daher klingt es mir sehr wahrscheinlich, dass es an dieser Stelle im Mantel Wasser gibt, aber das muss nicht für den Rest des unteren Mantels gelten…

    Zu ultratiefen Diamanten:
    http://www.ingentaconnect.com/content/minsoc/mag/2010/00000074/00000002/art00001
    http://www.nature.com/nature/journal/v472/n7342/full/nature09899.html

  2. Im Erdmittelpunkt herrscht Schwerelosigkeit. Dadurch ergibt sich die gleiche Schichtung unter dem Erdmantel wie über dem Erdmantel. D. h.., die schweren Elemente befinden sich im Erdmantel und die leichtesten im Erdmittelpunkt. Von daher ist nichts anderes als riesige Wasservorkommen auch unter der Erdkruste zu erwarten.

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