Abbildung 1. Tagebau-Diamantenminen im Kimberlit-Gestein. Bergbaubetriebe entfernen so viel Kimberlit wie möglich und hinterlassen tiefe Gruben, die die Form eines „Kimberlitrohrs“ umreißen.“ A: Die Cullinan Mine begann als Tagebaubetrieb und wechselte 1946 zum Untertagebau. Foto von DeAgostini / Getty Images. B: Aktiver Abbau in einem der Kimberlitrohre der Mine Letšeng. Foto von Karen Smit / GIA. C: Die Kimberley Mine „Big Hole“, wo der Abbau 1914 abgeschlossen wurde. Foto von The Print Collector / Getty Images. D: Der Boden des Tagebaus in der Mine Diavik. Foto von Ben Nelms / Bloomberg über Getty Images. E: Das „große Loch“ der Kimberley Mine heute. Foto von Karen Smit / GIA.

Abbildung A-1. Bilder von Kimberlit Texturen. Links: Hypabyssaler Kimberlit aus dem Grizzly 3 Kimberlit, Kanada (Sichtfeld 7,62 cm). Rechts: Vulkaniklastischer Kimberlit aus dem Victor North Kimberlit, Kanada (Sichtfeld 7,62 cm). Fotos von Steve Shirey.

Abbildung B-1. Bild der planlosen Bergbaubetriebe am Kimberley „Big Hole“ vor der Konsolidierung der Bergbaubetriebe durch Cecil Rhodes und Barney Barnato und der Gründung der De Beers Consolidated Mines im Jahr 1888. Jeder Bergmann besaß einen kleinen Landanspruch und schickte mit Winde und Seil Ausgrabungen an die Oberfläche. Sie arbeiteten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und hinterließen eine sehr unregelmäßige und gefährliche Oberfläche. Siehe auch Abbildung 1C. Ernest Cohen erkannte dieses neue Quellgestein zuerst als magmatisch (Janse, 1985), und Henry Lewis (1887a) schlug vor, das Gestein „Kimberlit“ zu nennen.“ Es wurde nach der Stadt Kimberley benannt, die wiederum nach Lord Kimberley, dem britischen Außenminister, benannt wurde (Field et al., 2008, und Referenzen darin). Die Beobachtungen von Lewis (1887b), die unten extrahiert wurden, bieten einen interessanten Einblick in das aufkommende Verständnis der geologischen Bedingungen von Diamantenvorkommen vor mehr als 130 Jahren:

1870, als sich etwa zehntausend Menschen am Ufer des Vaal versammelt hatten, kam die Nachricht von der Entdeckung von Diamanten an einem Punkt, der etwa fünfzehn Meilen vom Fluss entfernt war, wo heute die Stadt Kimberley steht. Dies waren die sogenannten „trockenen Ausgrabungen“, die zunächst als alluviale Ablagerungen galten, sich aber nun als vulkanische Rohre von hochinteressantem Charakter erwiesen. Vier dieser Rohre oder Hälse, alle reich an Diamanten, und von ähnlicher geologischer Struktur, wurden nahe beieinander gefunden. Es ist erwiesen, dass sie vertikal in eine unbekannte Tiefe abfallen und die umgebenden Schichten durchdringen. Das zuerst ausgegrabene diamanthaltige Material war eine bröckelnde gelbliche Erde, die in einer Tiefe von etwa 50 Fuß härter und dunkler wurde und schließlich eine schieferblaue oder dunkelgrüne Farbe und ein fettiges Gefühl annahm, das bestimmten Serpentinsorten ähnelte. Dies ist der bekannte „blaue Boden“ der Diamantenminenarbeiter.

Es ist für kurze Zeit der Sonne ausgesetzt, wenn es leicht zerfällt, und wird dann für seine Diamanten gewaschen. Dieser „blaue Boden“ wurde nun bis zu einer Tiefe von 600 Fuß durchdrungen und wird mit zunehmender Tiefe härter und felsiger.Die diamanthaltigen Abschnitte enthalten oft so viele Einschlüsse von Schiefer, dass sie einer Brekzie ähneln, und so geht die Lava nach und nach in Tuff oder Vulkanasche über, die ebenfalls reich an Diamanten ist und leichter zersetzbar ist als die dichtere Lava.

Es scheint offensichtlich, dass es sich bei den diamanthaltigen Rohren um echte Vulkanhälse handelt, die aus einer sehr einfachen Lava bestehen, die mit einer vulkanischen Brekzie und mit Tuffstein verbunden ist, und dass die Diamanten sekundäre Mineralien sind, die durch die Reaktion dieser Lava mit Wärme und Druck auf die kohlenstoffhaltigen Schiefer entstehen, die mit ihr in Kontakt stehen und von ihr umhüllt werden.

Es bedurfte Experimente und geochemischer Analysen, um zu zeigen, dass Diamanten nicht als Ergebnis der Kimberlit-Reaktion mit Schiefer entstehen. Aber es würde mehr als 100 Jahre nach der Entdeckung von Kimberlit dauern, um zu beweisen, dass Diamanten nicht aus dem Kimberlit-Magma kristallisieren.Der erste Schritt in unserem Wissen über die Beziehung zwischen Diamanten und Kimberliten stammt aus frühen Arbeiten darüber, wie Diamant kristallisiert. Experimente im Labor zeigten, dass die Umwandlung von Graphit in Diamant bei hohem Druck und hoher Temperatur tief im Mantel erfolgte, obwohl wir heute die meisten Diamantformen durch andere Reaktionen kennen (siehe Winter 2018 Diamanten aus der Tiefe). Anschließend erhielten Geowissenschaftler Druck- und Temperaturbeschränkungen für die Diamantbildung (aus Diamant-Wirtsgesteinen und ihren Mineraleinschlüssen), was den Hochdruckursprung für natürliche Diamanten stärkte (z. B. Bundy et al., 1961; Mitchell und Crocket, 1971). Der Nachweis ihres Hochdruckursprungs bedeutete, dass sich Diamanten eindeutig vor einer Wechselwirkung zwischen Kimberlit und Krustengesteinen wie Schiefer gebildet haben mussten (siehe Kasten B). Es wurde jedoch immer noch angenommen, dass Diamanten aus dem Kimberlitmagma in der Tiefe des Mantels kristallisieren könnten, bevor der Ausbruch zur Erdoberfläche stattfand, oder dass Diamanten unter metastabilen Bedingungen während des Kimberlitaufstiegs wuchsen (Mitchell und Crocket, 1971).In den 1970er Jahren verwendeten Wissenschaftler die Isotopendatierung von kimberlitischen Mineralien, um das erste Alter von Kimberlit-Eruptionen zu bestimmen. Mithilfe der Rb-Sr-Geochronologie von kimberlitischen Glimmern stellten Geowissenschaftler der University of the Witwatersrand fest, dass Kimberlite aus dem Kimberley-Gebiet vor etwa 86 Millionen Jahren ausbrachen (Allsopp und Barrett, 1975). Etwa zur gleichen Zeit zeigte die U-Pb-Geochronologie an kimberlitischen Zirkonen derselben Kimberlite ähnliche Ergebnisse, dass sie vor etwa 90 Millionen Jahren ausbrachen (Davis et al., 1976). Spätere analytische Arbeiten verfeinerten diese Alter (z. B. Allsopp und Kramers, 1977; Davis, 1977, 1978; Clement et al., 1979; Kramers und Smith, 1983; Schmied, 1983). Wir wissen jetzt, dass der Großteil der Kimberlite der Erde vor relativ kurzer Zeit (geologisch gesehen) zwischen 250 und 50 Millionen Jahren ausgebrochen ist (siehe Zusammenstellungen in Heaman et al., 2003; Jelsma et al., 2009; Tappe et al., 2018).In den 1980er Jahren fanden Stephen H. Richardson und Kollegen am MIT, die an Diamanten aus den Kimberley-Minen arbeiteten, heraus, dass die Diamanten im Alter von einer Milliarde bis zu mehr als drei Milliarden Jahren alt sind und dass sie aus der lithosphärischen Mantelregion unterhalb des Kaapvaal-Kratons stammen (Richardson et al., 1984). Da die Kimberley-Kimberlite erst vor 84 Millionen Jahren ausbrachen (Clement et al., 1979), die Richardson et al. die Studie zeigte definitiv, dass die Diamanten keine genetische Beziehung zum Kimberlit hatten. Diese grundlegende Altersbeziehung gilt für alle anderen diamantartigen Kimberlite. Kimberlit-Eruptionen sind also genau die Art und Weise, wie Diamanten ihren Weg von der Tiefe des Mantels zur Erdoberfläche finden. Diamanten sind einfach der Passagier, und Kimberlite sind ihr Transport.

Warum überleben Diamanten während des Ausbruchs in Kimberlit?

Ein weiteres wunderbares Merkmal der Art und Weise, wie Kimberlite Diamanten aus großer Tiefe transportieren, ist, dass die Diamanten überleben. Rohdiamanten werden oft von ihren primären oktaedrischen Formen in sekundäre Formen resorbiert, die als Dodekaeder bezeichnet werden. Dies liegt daran, dass Kimberlite gerade dabei sind, den Diamanten aufzulösen – es ist nur so, dass dieser Prozess noch nicht abgeschlossen ist. Fast alle anderen Magmen auf der Erde, wie Basalte und Andesite, würden Diamanten vollständig auflösen, daher ist es ein Geschenk der Natur, dass Kimberlite Diamanten das Überleben ermöglichen.Ein erfolgreicher Diamanttransport und eine erfolgreiche Lieferung erfolgen auch, weil Kimberlite schneller ausbrechen und weniger oxidieren als andere Magmen auf der Erde. Diamanten können während eines Großteils ihres Transports auch in Stücken ihrer Wirtsgesteine enthalten sein. Geschwindigkeit ist hier von entscheidender Bedeutung: Ein niedrigviskoser Kimberlit bewegt sich schätzungsweise mit Geschwindigkeiten von etwa 8 bis 40 Meilen pro Stunde (Sparks et al., 2006), während sich ein normalviskoses Basaltmagma mit einem Bruchteil dieses Tempos bewegt. Die chemische Zusammensetzung des Kimberlits und seine flüchtigen Bestandteile werden ebenfalls als wichtige Faktoren angesehen.

Kimberlit-Eruptionen in der Erdgeschichte

Aus Feldbeobachtungen, die an der Stelle von eingelagerten Kimberliten gemacht wurden, sind Kimberlite explosiver als die Eruptionen, die wir heute an Orten wie Hawaii, Island, Indonesien und Mount St. Helens sehen. Beweise für Kristallgranulation, Xenolith-Rundung und Fragmentierung (siehe Kasten A, Abbildung A-1) führen Geologen zu dem Schluss, dass Kimberlit-Eruptionen viel heftiger sind und die Oberfläche mit den höchsten Geschwindigkeiten eines Vulkans durchbrechen.Die letzten bekannten Kimberlit-Eruptionen waren die etwa 10.000 Jahre alten Igwisi Hills Kimberlite (Brown et al., 2012) in Tansania, obwohl es einige Debatten darüber gibt, ob diese echten Kimberlit darstellen. Darüber hinaus sind diese Kimberlite nicht diamanthaltig. Die nächstjüngsten afrikanischen Kimberlite sind die 32 Millionen Jahre alten Kundelungu-Kimberlite in der Demokratischen Republik Kongo (Batumike et al., 2008). Die jüngsten diamanthaltigen kimberlitähnlichen Eruptionen waren die West-Kimberley-Lamproite (Kasten A), die vor 24 bis 19 Millionen Jahren ausbrachen (Allsopp et al., 1985). Rund 45% dieser Lamproite sind diamanthaltig, obwohl nur zwei für ihre Diamanten abgebaut wurden.

Kimberlite sind mindestens seit dem Archaikum ausgebrochen, und die ältesten bisher entdeckten sind die Mitzischen Kimberlite in Gabun (Westafrika), die vor etwa 2,8 Milliarden Jahren ausgebrochen sind (de Wit et al., 2016). Kimberlite sind seit dieser Zeit jedoch nicht kontinuierlich ausgebrochen, und weltweit gab es mehrere Zeiträume, in denen Kimberlite häufiger ausbrachen (Heaman et al., 2003; Jelsma et al., 2009):

Zeitraum (vor Millionen von Jahren)	1200-1075	600-500	400-350	250-50
% der globalen Kimberlite (aus Tappe et al., 2018)	9,4%	7,4%	5%	62,5%

Wie und warum bilden sich Kimberlite?

Schmelzzusammensetzung.Die primäre (oder ursprüngliche) Schmelzzusammensetzung von Kimberlit ist wenig bekannt, da das Gestein, das wir heute sehen, eine so variable, komplizierte physikalische Mischung ist. Kimberlit enthält Magma, das mit vielen Komponenten gemischt wurde, die entlang des >150 km langen Weges zur Oberfläche aufgenommen wurden. An der Oberfläche enthält Kimberlit feinkörniges Matrixmaterial und Mineralien, die als Phenokristalle bekannt sind, Fremdmineralien, die als Xenokristalle bekannt sind (Diamant ist der Xenokristall, den wir wollen!) und Fremdgesteine, die als Xenolithen bekannt sind. Mit anderen Worten, Kimberlit gilt als „hybrides“ Gestein. Xenolithen selbst sind für Geologen sehr interessant, da es sich um Gesteinsproben handelt, durch die der Kimberlit hindurchgegangen ist.

Das vorherrschende Mineral in Kimberlit ist Olivin, das entweder phänokrystisch (aus dem Kimberlit selbst) oder xenokrystisch (aus dem Mantel und durch den Ausbruch abgebrochen und beprobt) sein kann. Die Unterscheidung zwischen diesen beiden Olivinpopulationen ist nicht immer klar. Olivin wird leicht in ein Mineral namens Serpentin umgewandelt, und diese Veränderung erschwert auch die Schätzung der ursprünglichen Magmazusammensetzung.

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, die primäre Schmelzezusammensetzung zu bestimmen: durchführung von Experimenten bei hohen Drücken und Temperaturen, Untersuchung von Schmelzeinschlüssen in Kimberlitmineralien, und Durchführung von Massenbilanzberechnungen, bei denen das Xenokristall- und Alterationsmaterial subtrahiert wird, um das verbleibende Kimberlitmaterial zu erhalten. All diese unterschiedlichen Ansätze scheinen nun darauf hinzudeuten, dass sich Kimberlitmagmen als karbonatreiche Schmelzen im asthenosphärischen Mantel bilden (Stone und Luth, 2016; Bussweiler et al., 2016; Stamm und Schmidt, 2017; Soltys et al., 2018; Howarth und Buttner, 2019). Kimberlit Magma bildet sich nach geringen Mengen an Schmelzen von Peridotit (siehe Winter 2018 Diamanten aus der Tiefe für weitere Informationen über Peridotit), in Tiefen um 200-300 km, und enthält hohe Mengen an Kohlendioxid und Wasser. Das Vorhandensein dieser sogenannten flüchtigen Komponenten im Kimberlit-Magma ist ein Grund, warum Kimberlit-Eruptionen als besonders explosiv angesehen werden.

Warum begann das Schmelzen? Wir wissen jetzt ungefähr, woher Kimberlitmagmen auf der Erde stammen, aber warum begann das Schmelzen tatsächlich? Die „Auslöser“ für tiefes Erdschmelzen, die der Kimberlit-Eruption vorausgehen, sind nicht für alle Kimberlite gleich, und es gibt drei große geologische Hauptszenarien, die Geologen typischerweise in Betracht ziehen:

1. Mantelfahnen, die aus der Tiefe des Mantels aufsteigen und mit der kratonischen Lithosphäre interagieren
2. Subduktion der ozeanischen Kruste und damit verbundene Kollisionsprozesse während der Bildung von Superkontinenten
3. tektonothermische Ereignisse, die mit dem Aufbrechen von Superkontinenten Kjarsgaard, 2000, Heaman et al., 2004; Jelsma et al., 2009; Kjarsgaard et al., 2017)

Insbesondere das Aufreißen von Kontinenten und das Aufbrechen von Superkontinenten — mit damit verbundenen Brüchen und spröden Verformungen in der Lithosphäre — bieten die Wege für Kimberlitmagmen, um die Oberfläche zu erreichen (z. B. Jelsma et al., 2009). All diesen Prozessen der Magmaerzeugung und dem daraus resultierenden Kimberlitausbruch liegt jedoch die Beziehung zum Prozess der Plattentektonik zugrunde. Ohne Plattentektonik, um Karbonat und flüchtige Stoffe in den Mantel zu recyceln, gäbe es keine Kimberlite.

Wo kommen Kimberlite vor?

Kimberlite brechen nicht in allen Gebieten der Erde aus. Weltweit kommen Kimberlite alle unterhalb der ältesten Teile von Kontinenten vor, die als Kratonen bekannt sind (Abbildung 2) (Clifford, 1966; Shirey und Shigley, 2013). Kratonen haben dicke lithosphärische Wurzeln, die sich bis zu mindestens 150-200 km erstrecken, und die Kimberlitbildung im Mantel ist wahrscheinlich mit der physikalischen Barriere gegen das Aufsteigen des Mantels verbunden, die durch diese tiefen kontinentalen Wurzeln bereitgestellt wird. Unabhängig davon, wie sich Kimberlite bilden, ist die Verbindung dieser Eruptionen mit tiefen kontinentalen Wurzeln ein weiteres wunderbares Rätsel darüber, wie Kimberlite Diamanten liefern. Diese tiefen kontinentalen Wurzeln sind das Diamantenlager der Erde.

Laufende Forschung

Es gibt noch viel zu lernen über Kimberlite und die Beziehung zwischen Kimberlitmagmen und den Diamanten, die sie tragen: Warum genau überlebt Diamant in einer Kimberlit-Eruption? Welche Oberflächenmerkmale eines Diamanten hängen mit den Auswirkungen des Kimberlit-Magmas zusammen, verglichen mit denen, die durch Flüssigkeiten tief im Mantel verursacht werden könnten, in dem sich die Diamanten befinden (z. B. Fedortchouk, 2019)?Während jeder Kimberlit einzigartig ist, sind allgemeine Eruptions- und Einlagerungsmodelle (siehe Kasten C) erforderlich, um zu verstehen, warum viele Kimberlite frei von Diamanten sind — liegt das einfach daran, dass sie nicht durch den diamanthaltigen Mantel ausgebrochen sind? Oder hängt der Mangel an Diamanten irgendwie mit Auflösungs- und / oder Eruptionsmechanismen zusammen? Informationen wie diese sind wichtig bei der Exploration und Bewertung neuer Diamantenvorkommen.

Kasten C: Kimberlit-Ausbruch

Kimberlite haben alle ein „magmatisches Sanitär“ -System in der Tiefe, das aus einer zylindrischen (Rohr), einer ebenen vertikalen (Deich) und / oder einer ebenen horizontalen (Schweller) Form in der Tiefe bestehen kann. Nur in Oberflächennähe verursacht der hohe flüchtige Gehalt des Magmas einen eruptiven „Blowout“, der zu einem Vulkankrater führt; Dies ist das magmatische Modell (Sparks et al., 2006). Ein weiteres Eruptionsmodell ist das phreatomagmatische Modell (Lorenz et al., 2003), die vorschlägt, dass es die Reaktion von Magma mit Oberflächenwasser ist, die den Ausbruch antreibt, und nicht die Gase und flüchtigen Stoffe im Magma. Das phreatomagmatische Modell wurde für den Argyle-Lamproit-Ausbruch vorgeschlagen (Rayner et al., 2018) und einige Eruptionsphasen bei Fort à la Corne (Kjarsgaard et al., 2009). Sowohl die magmatischen als auch die phreatomagmatischen Eruptionsphasen sind in Abbildung C-1 dargestellt.

Letztendlich gibt es Gründe, sich um Kimberlite zu kümmern, die sich nicht direkt auf ihre Probenahme von Diamanten beziehen, sondern auf die großräumige Betrachtung der tiefsten geochemischen Zyklen der festen Erde. Kimberlit-Magma ist ein extremes Endelement für kleine Mengen Mantelschmelze und hohen flüchtigen Gehalt (einschließlich Wasser und Kohlendioxid). Wie entstehen und wandern solche Schmelzen bei so hohen Drücken und Temperaturen? Was verrät der hohe Anteil an jungen Kimberliten über Plattentektonik und tiefes Recycling von flüchtigen Stoffen? Was können uns Kimberlite über den Zusammenhang zwischen der Dynamik der festen Erde und unserem wichtigsten atmosphärischen Treibhausgas Kohlendioxid sagen?

Wir haben die grundlegenden geologischen, historischen und praktischen Merkmale von Kimberliten hervorgehoben. Was außergewöhnlich ist, ist, dass wir am Ende, wenn ein natürlicher Diamant gekauft wird, einem Kimberlit zu verdanken haben, der ihn uns gebracht hat.