Wie Saphire durch Vulkanismus in der Eifel entstehen

Glitzernde blaue Saphire, deren Farbe an durchdringende Kälte erinnert, entstehen erstaunlicherweise unter extrem heissen Bedingungen tief unter der Erdoberfläche.

Seit Jahren werden Saphire in vulkanischen Ablagerungen gefunden, etwa in der Vulkaneifel. Dort steigt Magma aus dem Erdmantel über lange Zeit in die Erdkruste auf und bildet Schmelzen mit hohem Natrium- und Kaliumgehalt. Andere Exemplare tauchen in Flussbetten auf, nachdem die widerstandsfähigen Kristalle durch Erosion aus ihrem Ursprungsgestein herausgewaschen wurden.

Obwohl Vulkanismus offensichtlich eine Rolle spielt, war die präzise Herkunft dieser Saphire aus den tiefen Öfen unseres Planeten lange ungeklärt. Geologinnen und Geologen konnten nicht sicher entscheiden, ob sie ausschliesslich im Erdmantel entstehen oder beim Aufstieg des Magmas aus anderen Mineralen herauskristallisieren.

Saphire aus vulkanischer Hitze und Druck

Eine neue Untersuchung liefert Hinweise darauf, dass die azurblauen Edelsteine während gewaltiger vulkanischer Umwälzungen entstehen können. Dabei erhitzen und verdichten extreme Prozesse Aluminiumoxid in der Erdkruste zu einer kristallinen Form namens Korund – dem Hauptmineral von Saphiren.

„Eine Erklärung lautet, dass Saphir in der Erdkruste bei sehr hohen Temperaturen und hohem Druck aus ursprünglich tonhaltigen Sedimenten entsteht und die aufsteigenden Magmen für die Kristalle lediglich den Aufzug zur Oberfläche bilden“, erklärt der Geologe und Petrologe Axel Schmitt von der Curtin University in Australien.

Das Forschungsteam wollte klären, ob dies zutrifft: ob sich die Saphire im oberen Erdmantel oder in der unteren Erdkruste bildeten und anschliessend von Magma aufgenommen wurden, das sich von unten seinen Weg zur Oberfläche bahnte. Dafür mussten die Forschenden die Saphire selbst analysieren.

Sie sammelten 223 mikroskopisch kleine Saphire aus der Eifel und untersuchten sie mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie. Im Fokus standen zwei Merkmale: Einschlüsse von Rutil und Zirkon, die während der Bildung in den Saphiren eingeschlossen wurden, sowie die Sauerstoffisotopenverhältnisse im Aluminiumoxid.

Korund, Spurenelemente und eingeschlossene Minerale

Saphire bestehen überwiegend aus Aluminiumoxid in Form von Korund, können jedoch auch andere eingemischte Elemente enthalten.

Ihre typische tiefblaue Färbung entsteht beispielsweise durch Titan und Eisen, die den Korund tönen. Eisen allein erzeugt gelbe Saphire und kann zudem grüne Steine hervorbringen. Chrom färbt Korund rosa oder rot – so entstehen Rubine.

Darüber hinaus können bei der Kristallbildung auch vollständig andere Minerale, darunter Rutil (Titandioxid) und Zirkon, in Saphiren eingeschlossen werden.

Anhand dieser Minerale lässt sich bestimmen, wann der Kristall entstand. Der Grund: Rutil und Zirkon nehmen bei ihrer Bildung Uran auf, das anschliessend mit einer bekannten Geschwindigkeit radioaktiv zerfällt. Durch die Analyse des Verhältnisses von Uran zu Blei im Gestein können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ermitteln, wie lange dieses Uran bereits zerfällt.

Sauerstoffisotope belegen die Herkunft der Eifel-Saphire

Neben Uran analysierte das Team die Sauerstoffisotopenverhältnisse der Saphire. Ein Isotop ist eine Form eines Atoms mit einer abweichenden Zahl an Neutronen; für die Untersuchung waren zwei Isotope relevant. Sauerstoff-16 mit 8 Protonen und 8 Neutronen ist das leichtere Isotop und zugleich die häufigste Sauerstoffform auf der Erde. Das schwerere Sauerstoff-18 besitzt 8 Protonen und 10 Neutronen und kommt in Mineralen aus der tiefen Erdkruste häufiger vor als in Mineralen aus dem Erdmantel.

Die Untersuchung dieser Isotopenverhältnisse zeigte, dass die Eifel-Saphire Sauerstoffwerte aufweisen, die sowohl dem Erdmantel als auch der Erdkruste zugeordnet werden können.

Die Uran-Blei-Datierung ergab zugleich, dass die Kristalle zur selben Zeit entstanden, in der der Vulkanismus sie an die Oberfläche transportierte.

Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass sich die Saphire in der oberen Erdkruste bildeten, höchstens 7 Kilometer (4,3 Meilen) unter der Oberfläche. Ein Teil entstand, als Magma aus dem Erdmantel beim Durchdringen des Gesteins dieses aufschmolz und dabei Isotopenverhältnisse des Mantels auf den Korund übertrug. Weitere Saphire bildeten sich, als Schmelze in das umliegende Gestein eindrang und durch Hitze die Saphirbildung auslöste; diese Edelsteine weisen Isotopenverhältnisse auf, die eher für einen Ursprung in der Erdkruste typisch sind.

„In der Eifel spielten sowohl magmatische als auch metamorphe Prozesse, bei denen die Temperatur das ursprüngliche Gestein veränderte, bei der Kristallisation von Saphir eine Rolle“, erklärt der Geowissenschaftler Sebastian Schmidt von der Universität Heidelberg in Deutschland.

Die Studie wurde in Contributions to Mineralogy and Petrology veröffentlicht.