Een diamant in een substraat van kimberliet, het stollingsgesteente waarin de meeste diamanten voorkomen. Géry Parent/Wikimedia Commons

In de twee bovenste lagen van de aarde zit naar schatting 1 biljard ton diamant

Er zit naar schatting meer dan een biljard ton diamant in de bovenste lagen van de aarde, volgens een nieuwe studie van MIT en andere universiteiten. De onderzoekers kwamen tot die conclusie omdat ze onderzochten waarom er een vreemde anomalie - een onregelmatigheid- zat in de seismische gegevens op basis van geluidsgolven. De ontdekking van de verborgen voorraad zal niet zo direct tot een diamantkoorts leiden, want de kostbare edelstenen zitten veel te diep om ontgonnen te kunnen worden.  

De zeer diep verstopte voorraad diamanten zit verspreid in de wortels van kratons - de oudste en minst beweeglijke rotsplaten die onder het midden van de meeste continentale tektonische platen liggen.

Een tektonische plaat of schol is een deel van de aardkorst, dat zeer langzaam beweegt. De oppervlakte van de aarde bestaat uit zes grote en verschillende kleinere tektonische platen, en er zijn zwaardere platen die dieper wegzinken, daardoor dieper liggen en bedekt zijn met water, oceanische platen, en lichtere platen die het droge aardoppervlak vormen, continentale platen. (Daarnaast zijn er ook mengvormen en sommige stukken oceaanbodem horen bij een continentale plaat.)   

Kratons zitten dus in het midden van die continentale platen en ze hebben de vorm van omkeerde bergen. Ze kunnen zich uitstrekken tot wel 300 kilometer door de aardkorst en in het bovenste, rigide deel van de aardmantel. Geologen noemen die diepe stukken de "wortels" van de kraton. 

De belangrijkste tektonische platen en de richting waarin ze bewegen (rode pijltjes).

In de nieuwe studie schatten de onderzoekers dat de kratonische wortels 1 tot 2 procent diamanten kunnen bevatten. Als men het totale volume aan kratonische wortels in de aarde in rekening brengt, schatten de onderzoekers dat er zowat een biljard ton aan diamanten verspreid zit in deze oude rotsen, zo'n 150 tot 250 kilometer onder het oppervlak. Voor alle duidelijkheid, een biljard is 1.000 biljoen of een miljoen miljard, een 1 met 15 nullen, 1.000.000.000.000.000.

"Dit toont aan dat diamant misschien niet zo'n zeldzaam mineraal is, maar dat het op een geologische schaal tamelijk veel voorkomt", zei Ulrich Faul in een mededeling van MIT. Paul is een onderzoeker aan het Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences van het Massachusetts Institute of Technology (MIT). "We kunnen er niet aan geraken, maar hoe dan ook, er zit daar veel meer diamant dan we ooit tevoren gedacht hebben." 

De Noord-Amerikaanse kraton. (Illustratie: USGS)

Een probleempje met geluidsgolven

Faul en zijn collega's kwamen tot hun conclusie nadat ze zich het hoofd hadden gebroken over een anomalie in de seismische gegevens. De laatste decennia hebben organisaties als de United States Geological Survey (USGS) wereldwijd de seismische activiteit bijgehouden - in essentie geluidsgolven die veroorzaakt worden door aardbevingen, tsunami's, ontploffingen en andere zaken die de aarde doen beven, en die door de aarde trekken. 

Seismische ontvangers over heel de wereld vangen de geluidsgolven van dergelijke bronnen op, met verschillende snelheden en intensiteiten, en seismologen kunnen die gebruiken om vast te stellen waar bijvoorbeeld een aardbeving ontstaan is. 

Onderzoekers kunnen die seismische gegevens ook gebruiken om een beeld op te bouwen van hoe het binnenste van de aarde er kan uitzien. Geluidsgolven bewegen zich voort met verschillende snelheden door de aarde, afhankelijk van de temperatuur, de dichtheid en de samenstelling van de rotsen waar ze doorheen trekken. Wetenschappers hebben die verhouding tussen de seismische snelheid en de samenstelling van de rotsen gebruikt om in te schatten uit welke soort rots de aardkorst en delen van de bovenste aardmantel bestaat. Die aardkorst en het bovenste deel van de mantel worden samen de lithosfeer genoemd.

Een diagram van de structuur van de aarde. In de kleine cirkel zijn de verschillende lagen op schaal, in de uitsnede is de lithosfeer veel groter weergegeven dan in werkelijkheid. (IIlustratie: USGS)

Bij het uittekenen van de samenstelling van het binnenste van de aarde aan de hand van seismische data, bleken de onderzoekers echter niet in staat om een merkwaardige afwijking te verklaren: geluidsgolven hebben de neiging om beduidend sneller te gaan als ze door de wortels van een oude kraton passeren. Van kratons is geweten dat ze kouder en minder dicht zijn dan de aardmantel die hen omgeeft, wat zou leiden tot iets snellere geluidsgolven, maar niet tot de hoge snelheden die gemeten werden.   

"De snelheden die gemeten werden, lagen hoger dan wat we dachten te kunnen reproduceren aan de hand van redelijke veronderstellingen over wat er daar te vinden is", zei Faul in de MIT-mededeling. "En dan moeten we zeggen: "Er is een probleem". Dat is hoe dit project van start is gegaan." 

Diamanten in de diepte

Om de pieken in de seismische snelheden te kunnen verklaren, ging het team aan het werk om de samenstelling van de wortels van de kratons te achterhalen. Hiervoor gebruikten de seismologen uit het team eerst de seismische gegevens van de USGS en andere bronnen, om een 3D-model op te stellen van de snelheden van seismische golven die door de belangrijkste kratons op aarde trokken. 

Vervolgens gebruikten Faul en de anderen, die in het verleden geluidssnelheden gemeten hebben doorheen veel verschillende soorten mineralen in het laboratorium, die kennis om virtuele rotsen te creëren, samengesteld uit verschillende combinaties van mineralen. 

Daarna berekende het team hoe snel geluidsgolven zouden reizen door elke virtuele rots, en ze vonden maar één type rots dat dezelfde snelheden gaf als de snelheden die de seismologen gemeten hadden: een rots die 1 tot 2 procent diamant bevatte, naast peridotiet - het meest voorkomende rotstype in de bovenste mantel van de aarde -, en kleinere hoeveelheden eclogiet - die een gevolg is van gesubduceerde - onder de lichtere continentale korst geschoven - oceanische korst. Dit scenario maakt dat er minstens duizend keer meer diamant is dan tot hiertoe verwacht werd. 

Olivijn, het dominante mineraal in de aardmantel. (Foto: Azuncha/Wikimedia Commons)

"Diamant is op veel manieren bijzonder", zei Faul. "Een van zijn bijzondere eigenschappen is dat de geluidssnelheid in diamant meer dan twee keer zo hoog ligt als in het dominante mineraal in de rotsen uit de bovenste mantel, olivijn."

De onderzoekers ontdekten dat een samenstelling van de rots met 1 tot 2 procent diamant net genoeg zou zijn om de hogere geluidssnelheden te produceren die ze gemeten hebben. En dit kleine aandeel diamanten zou de algemene densiteit of dichtheid van een kraton niet veranderen.

Kratons zijn van nature minder dicht dan de omliggende mantel. "Ze zijn als stukken hout die op het water drijven", zei Faul. "Kratons zijn een klein beetje minder dicht dan hun omgeving, zodat ze niet gesubduceerd worden - onder een andere plaat geschoven - terug in de aarde, maar blijven drijven op het oppervlak. Het is op die manier dat ze de oudste rotsen bewaren. En we ontdekten dat je maar 1 tot 2 procent diamant nodig hebt om te maken dat de kratons stabiel zijn en niet zinken."

Kimberliet-pijpen

Dat kratonische wortels voor een deel uit diamant bestaan, is in zekere zin wel logisch, zei Faul. Diamanten worden gevormd in de diepe aarde, in een omgeving waar een hoge druk en een hoge temperatuur heersen, en ze geraken bijna uitsluitend dicht bij het aardoppervlak in gewelddadige uitbarstingen van vulkanen op grote diepte. Tussen dergelijke uitbarstingen liggen enkele tientallen miljoenen jaren, en de uitbarstingen kerven geologische "pijpen" uit die gevormd worden uit een soort rots die kimberliet heet.

Kimberliet is genoemd naar de stad Kimberley in Zuid-Afrika, waar de eerste diamanten in dit soort van rots gevonden zijn. Diamanten worden, samen met magma van diep in de aarde, uitgespuwd door kimberliet-pijpen naar het aardoppervlak.    

De diamantmijn Mir in Siberië is een kimberliet-pijp die gedeeltelijk is uitgegraven. Staselnik

Voor het grootste deel worden kimberlietpijpen gevonden aan de randen van kratonische wortels, bijvoorbeeld in bepaalde delen van Canada, Siberië, Australië en Zuid-Afrika. Het lijkt dan logisch dat kratonische wortels in hun samenstelling diamant zouden hebben. 

"Het is indirect bewijs, maar we hebben alles in elkaar gepuzzeld", zei Faul. "We zijn door al de verschillende mogelijkheden gegaan, hebben die van alle kanten bekeken, en dit is de enige die is overgebeleven als een redelijke verklaring."

De studie van MIT en van de University of California at Santa Barbara, het Institut de Physique du Globe de Paris, de University of California at Berkeley, de Ecole Polytechnique, het Carnegie Institution of Washington, Harvard University, de University of Science and Technology of China, de University of Bayreuth, de University of Melbourne, en het University College London is verschenen in Geochemistry, Geophysics, Geosystems.

Als de kimberliet-pijp door een deel van de aardmantel schiet waar zich diamanten bevinden, zal ze ook diamanten bevatten, anders niet.
Het voorkomen van kratons en van kimberlietpijpen (rode stipjes) in Afrika. (Illustratie USGS)