Diamanten uit de Zuid-Afrikaanse Voorspoed-mijn hebben een primeur opgeleverd: het eerste natuurlijke bewijs voor nikkelrijke metaallegeringen die zich vormen op 280–470 kilometer diepte in de aardmantel. In dezelfde diamanten zijn ook nikkelrijke carbonaten aangetroffen. De diamanten bevestigen hiermee lang verwachte voorspellingen over de redox-staat van de diepe mantel. Het onderzoek is te vinden in Nature Geoscience.
Al decennialang voorspelden modellen en hogedrukexperimenten dat nikkelrijke metaallegeringen stabiel kunnen zijn in de mantel op diepten van ongeveer 250–300 kilometer. Natuurlijk bewijs bleef echter uit. Dat is nu veranderd: in diamanten uit de Zuid-Afrikaanse Voorspoed-mijn identificeerde het team nikkel-ijzer-metaalnanodeeltjes, vergezeld door nikkelrijke carbonaat-micro-insluitsels. Zulke combinaties zijn zeldzaam en wetenschappelijk goud waard: de diamant heeft tijdens de ‘groei’ chemische processen weten te ‘bevriezen’ en daarmee een moment vastgeklikt dat normaal gesproken snel weer verdwijnt.
Tijdcapsules
De onderzoekers bestudeerden nano- en micro-insluitsels die als kleine tijdcapsules dienstdoen. Tijdens het onderzoek ontdekten ze verschillende aanwijzingen die erop wijzen dat de onderzochte diamanten gevormd zijn in de diepe bovenmantel tot aan de ondiepe overgangszone. Daarmee lijkt de ‘geboortekamer’ van de diamanten duidelijk en valt het natuurlijke voorkomen van nikkelrijke legeringen precies in het al theoretisch voorspelde dieptebereik. Of, zoals chemicus Yaakov Weiss het samenvat: “Dit is een zeldzame momentopname van geochemie in actie.”
Cruciaal is de chemische context van de vondst. Het gelijktijdig voorkomen van nikkel-ijzer-metaal en nikkelrijke carbonaten wijst op een zogenoemde ‘redox-bevriezingsreactie’. Een redoxreactie is een reactie tussen moleculen en ionen waarbij elektronen worden uitgewisseld. De reductor is hierbij de ‘schenker’ van het elektron en de oxidator is de ontvangende partij. In eenvoudigere taal ontdekte het team dat een gesmolten zuurstofrijke stof een zuurstofarme, metaalhoudende peridotiet binnen had gedrongen. Tijdens die ontmoeting reageerde ijzer gemakkelijker dan nikkel, waardoor de overblijvende metaallegering nikkelrijker werd. Tegelijkertijd kristalliseerden er, onder andere, een diamant uit de smeltkroes. Tijdens die vorming ‘bevroor’ de diamant alle aanwezige stoffen en de verschillende geochemische reacties die plaatsvonden, waardoor zowel de ‘voor’ als de ‘na’ toestand te zien is. “De diamanten werken als kleine tijdcapsules, die een reactie bewaren die anders zou verdwijnen na verloop van tijd,” zegt Weiss.
Redoxreactie
De implicaties reiken echter verder dan alleen het bevestigen van theoretische voorspellingen. Lokale redoxreacties kunnen kleine stukjes mantel af en toe oxideren, wat helpt verklaren waarom sommige insluitsels in andere ‘superdiepe’ diamanten verrassend hoge geoxideerde omstandigheden laten zien. Bovendien verrijken zulke gebeurtenissen mantelgesteente met carbonaten, kalium en zogenaamde ‘incompatible elements‘. De vorming hiervan kan de mantel ‘voorbereiden’ op de latere vorming van verschillende magma’s. Zulke magma’s reizen vervolgens van honderden kilometers diepte naar boven en zijn de stroom die diamanten uiteindelijk naar het aardoppervlak kunnen brengen.
Het onderzoek benadrukt de bijzondere rol van diamant in de aardwetenschappen. Anders dan veel andere gesteenten kan diamant dus verhinderen dat ingesloten mineralen achteraf met hun omgeving reageren. Daardoor kunnen nano- en micro-insluitsels — van nikkelrijke legeringen tot hogedrukmineralen — als ‘tijdscapsules’ van de diepe aarde dienen. Het werk van Weiss markeert daarnaast ook een mijlpaal: de eerste tastbare bevestiging dat nikkelrijke metaallegeringen op de voorspelde diepten in de mantel bestaan, én een helder beeld van hoe de redoxreacties in de diepe aarde kunnen veranderen door verschillende interacties tussen gesmolten stoffen en vast gesteente.
Luister ook naar de Scientias Podcast:
