Geologisches Rätsel, bekannt als "Dolomitproblem", gelöst!

Nach zwei Jahrhunderten fehlgeschlagener Versuche ist die Entstehung von Dolomit kein Rätsel mehr: Eine revolutionäre neue Theorie ermöglicht es, ihn im Labor zu züchten und löst eine der großen Fragen der Geologie.

Dolomiten, Mineralien — Die Dolomiten sind eine Region in Norditalien, die für ihr Dolomitengebirge bekannt ist.

Dolomit besteht aus geordneten Schichten von Kalzium- und Magnesiumkarbonat und ist das Mineral, das für ikonische geologische Formationen wie das Dolomitengebirge in Italien, den Niagara-Steilhang in Nordamerika und die White Cliffs of Dover im Vereinigten Königreich verantwortlich ist.

Sein reichliches Vorkommen an so vielen Orten hat die Wissenschaftler zwei Jahrhunderte lang verblüfft, weil es in jüngeren Formationen fast nicht vorkommt und sich im Labor nicht reproduzieren lässt. Dies wird sich jedoch bald ändern.

Der offensichtliche Widerspruch zwischen den riesigen alten Dolomitvorkommen in der Natur und seiner Unfähigkeit, in modernen Umgebungen zu wachsen, sei es in der Natur oder im Labor, hat zu dem so genannten "Dolomitproblem" geführt.

Ursprünglich glaubte man, dass Dolomit durch die Verdunstung von Salzwasser entsteht, wobei eine konzentrierte Lösung von Calcium- und Magnesiumcarbonat entsteht. Diese Theorie scheiterte jedoch, als man versuchte, diesen Prozess im Labor nachzuvollziehen.

Neue Theorie

Jetzt haben Wissenschaftler der University of Michigan und der Hokkaido University eine neue Theorie vorgestellt, die dieses Rätsel lösen könnte: Um mit Dolomit Berge zu bauen, muss er sich regelmäßig auflösen.

Seit seiner Entdeckung im Jahr 1791 durch den Franzosen Déodat de Dolomieu ist es Wissenschaftlern nicht gelungen, dieses Mineral im Labor unter den Bedingungen zu kultivieren, unter denen es in der Natur entstanden sein soll.

Wenn sich Mineralien in Wasser bilden, lagern sich die Atome in der Regel in geordneter Weise am wachsenden Rand des Kristalls ab. Im Fall von Dolomit besteht dieser Rand aus abwechselnden Reihen von Calcium und Magnesium. Diese Reihen haften jedoch nicht immer in geordneter Weise, was zu Defekten in der Kristallstruktur führt. Diese Defekte behindern die Bildung weiterer Dolomitschichten und verlangsamen das Wachstum.

Wenn jedoch die Umgebung, in der sich das Mineral bildet, Schwankungen der Temperatur oder des Salzgehalts unterliegt, wie z. B. an einem Strand oder in einer Lagune, wird der Sortierprozess erheblich beschleunigt. Diese Schwankungen können dazu beitragen, die Calcium- und Magnesiumreihen am Rand des Dolomitkristalls auszurichten.

Das liegt daran, dass diese Schwankungen die Löslichkeit von Calcium- und Magnesiumionen in Wasser verändern. Wenn die Löslichkeit eines Ions zunimmt, löst es sich leichter in Wasser auf, und wenn sie abnimmt, lagert es sich leichter im Kristall ab.

Wiederholtes Waschen trägt zur schnelleren Bildung von Dolomitschichten bei. Wasser wäscht fehlgeleitete Kalzium- und Magnesiumionen in der Kristallstruktur aus, z. B. durch Regen oder Gezeiten.

Durch wiederholte Überspülungen dieser Verwerfungen kann sich innerhalb weniger Jahre eine Dolomitschicht bilden, und im Laufe der geologischen Zeit können sich Berge anhäufen.Die wenigen Gebiete, in denen sich heute Dolomit bildet, werden zeitweise überflutet und trocknen dann aus. Dies steht im Einklang mit der Theorie, dass Schwankungen der Temperatur oder des Salzgehalts für die Dolomitbildung notwendig sind.

Laboruntersuchung

Um diese Theorie zu bestätigen, wiesen die Forscher nach, dass es möglich ist, Dolomit im Labor zu züchten. Nachdem sie einen kleinen Dolomitkristall, der als Keim für weiteres Kristallwachstum diente, in eine Kalzium-Magnesium-Lösung gelegt hatten, stellten sie zyklische Bedingungen mit einem Elektronenstrahl her, der den Kristall zwei Stunden lang etwa 4.000 Mal beaufschlagte.

Dieser Strahl spaltet die Lösung und erzeugt eine Säure, die die instabilen Punkte entfernt und die stabilen bewahrt. Lücken in der Kristallstruktur werden schnell mit Magnesium- und Kalziumatomen gefüllt, die aus der Lösung ausfallen und die für Dolomit erforderlichen Atomreihen bilden.

Im Dolomitkristall wurde ein Wachstum von etwa 100 Nanometern beobachtet, was etwa 250.000 Mal kleiner ist als der Durchmesser einer Münze. Obwohl nur etwa 300 Dolomitschichten erreicht wurden, übertrifft dies bei weitem die Grenze von fünf Schichten, die bisher in Laborversuchen erreicht wurden.

Obwohl nur etwa 300 Dolomitschichten erreicht wurden, übersteigt dies bei weitem die Grenze von fünf Schichten, die bisher in Laborversuchen erreicht wurden.

Diese mögliche Lösung des Dolomit-Rätsels bietet nicht nur eine neue Perspektive, sondern auch einen innovativen Ansatz für die Entwicklung und Herstellung von kristallinen Materialien. Diese Materialien finden breite Anwendung in modernen Technologien wie Halbleitern, Solarzellen, Batterien und anderen Technologiebereichen.

Quellenhinweise:
Joonsoo Kim, Yuki Kimura, et. al.“La disolución permite el crecimiento de cristales de dolomita cerca de las condiciones ambientales", Science (2023).