Timantit ovat jalokivistä ihmeellisimpiä. Yhtä hämmästyttävää on kuitenkin se, miten luonnontimantit päätyvät maan pinnalle. Timantit muodostuvat 150-700 kilometrin syvyydessä maassa ja kulkeutuvat sitten ylöspäin harvinaisessa kimberliitin magman tulivuorenpurkauksessa. Ihminen ei ole koskaan nähnyt tällaista tapahtumaa, ja tämän magman purkauksen arvellaan olevan nopein ja rajuin tulivuorenpurkauksen Tyyppi Maan päällä. Onneksi, koska timantti on vaikein mineraali, se yleensä kestää niin karkea käsittely. Tämä vulkaaninen kuljetusjärjestelmä vain lisää luonnontimantin mystiikkaa ja arvoa.

on olemassa kaksi pääasiallista magmatyyppiä, jotka kuljettavat luonnontimantteja pintaan. Nämä magmat kiteytyvät jäähtyessään vulkaanisiksi kiviksi, jotka tunnetaan nimellä kimberliitti ja lamproiitti (KS.Kohta A). Kimberliitti on ylivoimaisesti hallitseva purkaustyyppi, joka tuo timantteja maan pinnalle (kuva 1). Vaikka timantti on vain sattumanvarainen matkustaja eikä kimberliitin luoma, kimberliittien perusymmärrys auttaa meitä ymmärtämään, missä ympäristössä useimmat luonnolliset timantit muodostuvat vaipassa.

laatikko A: kiville

kiville, kuten mineraaleille, on kansainvälisen geologiyhteisön antamat omat nimet, kun ne tunnustetaan sellaisiksi kuin ne ovat. Kivien tapauksessa nämä nimet perustuvat kemialliseen koostumukseen, tekstuuriin (Kuva a-1), väriin, mineraalipitoisuuteen ja niiden muodostumistapaan. Kun kiven nimi, kuten kimberlite, on määritelty ja hyväksytty, siitä tulee pikakirjoitusta kaikille sen piirteille—mukaan lukien ne, jotka kenttägeologi voi havaita ulkoreunalla, ja ne, jotka liittyvät sen todelliseen alkuperään syvällä maan sisällä laattatektonisten prosessien avulla. Rock-nimet ovat hyödyllisiä, koska ne ilmentävät kaikkia näitä tärkeitä ajatuksia.

kimberliitti on nimitys piipitoiselle ja magnesiumpitoiselle ekstrusiiviselle magmakivelle (esimerkiksi vulkaaniselle kivelle), joka sisältää suuria määriä oliviinia, usein serpentinoitua. Se on erittäin vaihteleva sekoitus sulamista, sulamisesta kiteytyviä mineraaleja sekä vieraita kiteitä ja kivenkappaleita. Kimberliitti voi esiintyä kentällä syvänteinä tai putkina, jotka kiteytyvät lähellä mutta pinnan alla (hypabyssal kimberlite), tai magmoina, jotka purkautuvat vulkaanisesti (volcaniclastic kimberlite).

Lamproiitti on kallionimitys, joka on annettu kiteytyneelle magmakivelle, jossa on runsaasti kaliumia ja magnesiumia ja josta puuttuu yleinen maankuoren mineraali maasälpä. Vaikka lamproiitit ovat paljon kimberliittejä yleisempiä, timantteja kantavat ovat kimberliittejä harvinaisempia. Itse asiassa, me tiedämme vain noin neljä tai viisi diamondiferous lamproites maapallolla.

Kimberliitin ja timantin suhde

ennen kimberliittien löytymistä timantit oli kaikki louhittu sekundaarisista alluviaalilähteistä: jokiympäristöistä, joissa timantit olivat rapautuneet alkulähteestään. Intiasta peräisin olevia historiallisia timantteja löydettiin pääasiassa Krishna-joen varrelta Madhya Pradeshista. Nykyään timanttikaivoksia tehdään edelleen monilla alueilla Sierra Leonessa, Brasiliassa, Angolassa, Namibiassa ja jopa merenpohjassa, missä joet laskevat valtameriin.

liuskekappaleiden yleinen esiintyminen ensimmäisessä löydetyssä kimberliitissä hämmensi varhaisia geologeja (KS.laatikko B). Liuskekivi oli ympäröivän kiven pala, jonka kimberliitti oli poiminut mukaansa kulkiessaan maankuoren läpi ennen purkausta. Koska liuskekivi on usein hyvin hiilipitoista, jotkut geologit päättelivät, että timantit ovat saattaneet muodostua magman ja liuskekiven välisellä reaktiolla (Lewis, 1887b). Tuolloin, noin 30 vuotta ennen radioaktiivisuuden löytymistä, ei ollut mitään keinoa määrittää tarkasti timantin (katso kevään 2019 timantit syvyyksistä), kimberliitin tai liuskekiven absoluuttista ikää.

laatikko B: Kimberliittien löytyminen timanttien Lähdekiveksi

vuosien 1866 ja 1869 välillä Vaal-ja Orange-joen uomista löydettiin ensimmäiset eteläafrikkalaiset timantit (ns. Tämän jälkeen tehtiin ensimmäiset timanttilöydöt niiden alkulähdekivestä Jagersfonteinista, Koffiefonteinista ja Kimberleyn alueelta vuonna 1870. Kuvassa B-1 näkyy varhainen kaivostoiminta Kimberleyssä.

Ernest Cohen tunnisti tämän uuden lähteen kiven ensin magmakiveksi (Janse, 1985), ja Henry Lewis (1887a) ehdotti kiven kutsumista ”kimberliitiksi.”Se sai nimensä Kimberleyn kaupungin mukaan, joka puolestaan nimettiin Lordi Kimberleyn, Britannian ulkoministerin (Field et al., 2008, ja viittaukset siihen). Alla poimitut Lewisin (1887b) havainnot tarjoavat mielenkiintoisen välähdyksen yli 130 vuoden takaisten timanttiesiintymien geologisten olosuhteiden orastavaan ymmärrykseen:

vuonna 1870, jolloin vaalin rannoille oli kerääntynyt noin kymmenentuhatta ihmistä, tuli uutinen timanttien löytymisestä noin 15 kilometrin päässä joesta, jossa Kimberleyn kaupunki nykyään sijaitsee. Nämä olivat niin sanottuja” kuivia kaivauksia”, joita aluksi luultiin alluviaalikerrostumiksi, mutta nyt ne osoittautuivat erittäin kiinnostaviksi vulkaanisiksi putkiksi. Neljä näistä putkista tai kauloista, joissa kaikissa oli runsaasti timantteja ja joiden geologinen rakenne oli samanlainen, löydettiin lähekkäin. Niiden on todistettu laskeutuvan pystysuoraan tuntemattomaan syvyyteen tunkeutuen ympäröiviin kerrostumiin. Aluksi kaivettu timanttipitoinen materiaali oli mureneva kellertävä maa, joka noin 50 metrin syvyydessä muuttui kovemmaksi ja tummemmaksi saaden lopulta sälesinisen tai tummanvihreän värin ja rasvaisen tunnelman, joka muistutti tiettyjä serpentiinilajeja. Tämä on timantinkaivajien tunnettu ”Sininen maa”.

se altistuu auringolle lyhyen aikaa, jolloin se hajoaa helposti, minkä jälkeen se pestään timanttien varalta. Tämä ”Sininen maa” on nyt tunkeutunut 600 metrin syvyyteen, ja sen on havaittu muuttuvan kovemmaksi ja kivimäisemmäksi syvyyden kasvaessa.

timanteissa on usein niin paljon liuskekiven sulkeumia, että ne muistuttavat brecciaa, ja näin laava kulkeutuu asteittain tuffiksi eli vulkaaniseksi tuhkaksi, jossa on myös runsaasti timantteja ja joka hajoaa helpommin kuin tiheämpi laava.

näyttää ilmeiseltä, että timanteilla varustetut putket ovat todellisia vulkaanisia kauloja, jotka koostuvat vulkaaniseen brecciaan ja tuffiin liittyvästä hyvin alkeellisesta laavasta, ja että timantit ovat sekundaarimineraaleja, jotka syntyvät tämän laavan lämmön ja paineen vaikutuksesta hiilipitoisiin liuskekiviin, jotka ovat kosketuksissa sen kanssa ja joita se ympäröi.

tarvittiin kokeita ja geokemiallista analyysiä, jotta voitiin osoittaa, että timantit eivät muodostu kimberliitin ja liuskekiven välisessä reaktiossa. Kimberliitin löytymisen jälkeen kestäisi kuitenkin yli 100 vuotta todistaa, etteivät timantit kiteydy kimberliitin magmasta.

ensimmäinen askel tiedossamme timanttien ja kimberliittien suhteesta tulee varhaisesta työstä timanttien kiteytymisen suhteen. Laboratoriokokeet osoittivat, että grafiitin muuttuminen timantiksi tapahtui korkeassa paineessa ja lämpötilassa syvällä vaipan sisällä, vaikka nykyään tunnemme useimmat timanttien muodot muiden reaktioiden kautta (katso talvi 2018 timantit syvyyksistä). Myöhemmin geotieteilijät saivat paine-ja lämpötilarajoitteet timanttien muodostukselle (timanttien isäntäkivistä ja niiden mineraalisulkeumista), mikä vahvisti korkeapaineen alkuperää luonnontimanteille (esim.Bundy et al., 1961; Mitchell and Crocket, 1971). Timanttien on täytynyt muodostua ennen kimberliitin ja maankuoren kivien, kuten liuskekiven, vuorovaikutusta (KS.Kohta B). Ajateltiin kuitenkin edelleen, että timantit voisivat kiteytyä kimberliitin magmasta syvyydessä vaipassa ennen kuin purkaus maan pinnalle tapahtui, tai että timantit kasvoivat metastabiileissa olosuhteissa kimberliitin nousun aikana (Mitchell and Crocket, 1971).

1970-luvulla tutkijat käyttivät kimberliittimineraalien isotooppiajoitusta selvittääkseen kimberliittien purkausten ensimmäiset iät. Witwatersrandin yliopiston geotieteilijät selvittivät kimberliittisten mikainten Rb-Sr-geokronologian avulla, että Kimberleyn alueen kimberliitit purkautuivat noin 86 miljoonaa vuotta sitten (Allsopp and Barrett, 1975). Samoihin aikoihin U-Pb-geokronologia näiden samojen kimberliittien kimberliittien zirkoneilla osoitti samanlaisia tuloksia, että ne purkautuivat noin 90 miljoonaa vuotta sitten (Davis et al., 1976). Myöhempi analyyttinen työ tarkensi näitä aikakausia (esim. Allsopp and Kramers, 1977; Davis, 1977, 1978; Clement et al., 1979; Kramers and Smith, 1983; Smith, 1983). Tiedämme nyt, että suurin osa maapallon kimberliitit purkautuivat suhteellisen äskettäin (geologisesti puhuen) välillä 250-50 miljoonaa vuotta sitten (KS.Koosteet Heaman et al., 2003; Jelsma ym., 2009; Tappe et al., 2018).

1980-luvulla Stephen H. Richardson ja MIT: n kollegat, jotka tutkivat Kimberleyn kaivosten timantteja, havaitsivat, että timantit vaihtelevat iältään miljardista vuodesta yli kolmeen miljardiin vuoteen ja että ne ovat peräisin litosfäärin vaipan alueelta Kaapvaalin kratonin alapuolelta (Richardson et al., 1984). Koska Kimberley kimberliitit purkautuivat vain 84 miljoonaa vuotta sitten (Clement et al., 1979), The Richardson et al. tutkimus osoitti lopullisesti, että timanteilla ei ollut geneettistä yhteyttä kimberliittiin. Tämä perus-Ikäsuhde pätee kaikkiin muihin diamondiferaalisiin kimberliitteihin. Kimberliitin purkaukset ovat siis juuri niitä, joilla timantit etenevät vaipan syvyydestä maan pinnalle. Timantit ovat vain matkustaja, ja kimberliitit ovat heidän kulkuneuvonsa.

miksi timantit säilyvät Kimberliitissä purkauksen aikana?

toinen hieno piirre kimberliittien tavassa kuljettaa timantteja syvältä on se, että timantit onnistuvat selviytymään. Raakatimantit resorboituvat usein primäärisistä oktaedrimuodoistaan toissijaisiksi muodoiksi, joita kutsutaan dodekaedreiksi. Tämä johtuu siitä, että kimberliitit ovat parhaillaan liuottamassa timanttia—tämä prosessi ei vain ole mennyt loppuun. Lähes kaikki muut maapallon magmat, kuten basaltit ja andesiitit, hajottaisivat timantit kokonaan, joten on luonnon lahja, että kimberliitit sallivat timanttien säilyä.

timanttien kuljetus ja toimitus onnistuu myös siksi, että kimberliitit purkautuvat nopeammin ja hapettuvat vähemmän kuin muut maapallon magmat. Timantit saattavat myös olla suojassa isäntäkiven paloina suuren osan kuljetuksesta. Nopeus on olennaista tässä: alhaisen viskositeetin kimberliitin arvioidaan liikkuvan nopeudella noin 8-40 mailia tunnissa (Sparks et al., 2006), kun taas normaaliviskoosinen basalttinen magma liikkuu murto-osalla tästä tahdista. Tärkeinä tekijöinä pidetään myös kimberliitin kemiallista koostumusta ja sen haihtuvia komponentteja.

Kimberliitin purkaukset maan historiassa

emploituneiden kimberliittien paikalla tehtyjen kenttähavaintojen perusteella kimberliitit ovat räjähdysherkempiä kuin nykyään havaitut purkaukset esimerkiksi Havaijilla, Islannissa, Indonesiassa ja St. Helens-vuorella. Todisteet kiderakeistumisesta, ksenoliittien pyöristymisestä ja pirstoutumisesta (KS.Kohta A, Kuva a-1) saavat geologit päättelemään, että kimberliittipurkaukset ovat paljon rajumpia ja rikkovat pintaa kaikkien tulivuorten nopeimmilla nopeuksilla.

viimeiset tunnetut kimberliitin purkaukset olivat noin 10 000 vuotta vanhat Igwisi Hillsin kimberliitit (Brown et al., 2012) Tansaniassa, vaikka jonkin verran on väitelty siitä, ovatko nämä todellista kimberliittiä. Nämä kimberliitit eivät myöskään ole timanttia sisältäviä. Seuraavaksi nuorimmat afrikkalaiset kimberliitit ovat 32 miljoonaa vuotta vanhat Kundelungun kimberliitit Kongon demokraattisessa tasavallassa (Batumike et al., 2008). Viimeisimpiä timanteilla kimberliitin kaltaisia purkauksia olivat Länsi-Kimberleyn lamproiitit (laatikko A), jotka purkautuivat 24-19 miljoonaa vuotta sitten (Allsopp et al., 1985). Näistä lamproiiteista noin 45 prosenttia on timanttia, joskin vain kaksi on louhittu niiden timanttien vuoksi.

Kimberliittejä on purkautunut ainakin arkeaan asti, ja vanhimmat tähän mennessä löydetyt ovat Gabonin (Länsi-Afrikan) Mitziset kimberliitit, jotka purkautuivat noin 2,8 miljardia vuotta sitten (de Wit et al., 2016). Kimberliitit eivät kuitenkaan ole purkautuneet yhtäjaksoisesti tuon ajan jälkeen, ja maailmanlaajuisesti on ollut useita ajanjaksoja, jolloin kimberliitit purkautuivat useammin (Heaman et al., 2003; Jelsma ym., 2009):

250-50

miten ja miksi Kimberliitit muodostuvat?

Sulakoostumus.Kimberliitin primaarinen (tai alkuperäinen) sulakoostumus tunnetaan huonosti, koska nykyään näkemämme kivi on niin vaihteleva, monimutkainen fysikaalinen seos. Kimberlite sisältää magmaa, johon on sekoittunut monia komponentteja, jotka on poimittu pitkin >150 km: n reittiä pintaan. Pinnaltaan kimberliitti sisältää hienorakeista matriisimateriaalia ja mineraaleja, jotka tunnetaan fenokrysteinä, vieraita mineraaleja, jotka tunnetaan ksenokrysteinä (timantti on haluamamme ksenokrystti!), ja ulkomaiset kivet tunnetaan ksenolit. Toisin sanoen kimberliittiä pidetään ”hybridikivenä”. Ksenolit itsessään ovat geologeille hyvin kiinnostavia, koska ne ovat näytteitä kivestä, jonka läpi kimberliitti on kulkenut.

kimberliitin vallitseva mineraali on oliviini, joka voi olla joko fenokrystinen (kimberliitistä itsestään) tai ksenokrystinen (vaipasta irronnut ja purkauksen ottama näyte). Näiden kahden oliviinipopulaation erottaminen toisistaan ei ole aina selvää. Oliviini muuttuu helposti serpentiiniksi kutsutuksi mineraaliksi, ja tämä muutos vaikeuttaa myös alkuperäisen magman koostumuksen arviointia.

on monia eri tapoja yrittää määrittää primaarinen sulakoostumus: tehdään kokeita korkeissa paineissa ja lämpötiloissa, tarkastellaan kimberliittimineraalien sulavuutta ja suoritetaan massataselaskelmia, joissa ksenokrystti ja muutosmateriaali vähennetään jäljelle jääneen kimberliittimateriaalin saamiseksi. Kaikki nämä eri lähestymistavat näyttävät nyt viittaavan siihen, että kimberliitti magmat muodostavat Sulina, jotka ovat runsaasti karbonaattia astenosfäärin vaipan (Stone and Luth, 2016; Bussweiler et al., 2016; Stamm and Schmidt, 2017; Soltys et al., 2018; Howarth and Buttner, 2019). Kimberliitin magmaa muodostuu peridotiitin vähäisen sulamisen jälkeen (katso talven 2018 timantit syvyyksistä lisätietoa peridotiitista) noin 200-300 kilometrin syvyydessä, ja se sisältää suuria määriä hiilidioksidia ja vettä. Näiden niin sanottujen haihtuvien komponenttien esiintyminen kimberliitin magmassa on yksi syy siihen, miksi kimberliitin purkausten ajatellaan olevan erityisen räjähdysherkkiä.

miksi sulaminen alkoi? Tiedämme nyt suurin piirtein, mistä päin maapalloa kimberlite-magmat ovat peräisin, mutta miksi sulaminen oikeastaan alkoi? Kimberliitin purkausta edeltävät syvän maan sulamisen ”laukaisijat” eivät ole samat kaikille kimberliteille, ja on olemassa kolme suurta geologista skenaariota, joita geologit tyypillisesti tarkastelevat:

1. vaipan Plumet nousevat vaipan syvyydestä ja vuorovaikuttavat kratonisen litosfäärin kanssa
2. valtamerten kuoren subduktio ja siihen liittyvät kollisionaaliset prosessit supermantereen hajoamisen aikana
3. mannerten hajoamiseen liittyvät tektonotermiset tapahtumat (esim.kjarsgaard, 2000, heaman et al., 2004; Jelsma ym., 2009; Kjarsgaard et al., 2017)

erityisesti mannerten repeäminen ja supermanninen hajoaminen—johon liittyy litosfäärin murtumia ja hauraita muodonmuutoksia—tarjoavat väylät kimberliitin magmoille päästä pinnalle (esim.Jelsma et al., 2009). Mutta kaikkien näiden magman syntyprosessien ja siitä johtuvan kimberliitin purkauksen taustalla on suhde laattatektoniikan prosessiin. Ilman laattatektoniikkaa, joka kierrättää karbonaattia ja haihtuvia aineita vaippaan, kimberliittejä ei olisi.

missä esiintyy Kimberliittejä?

Kimberliitit eivät purkautu kaikilla maapallon alueilla. Maailmanlaajuisesti kimberliitit esiintyvät kaikki maanosien vanhimpien osien alla, jotka tunnetaan nimellä kratonit (kuva 2) (Clifford, 1966; Shirey and Shigley, 2013). Kratoneilla on paksuja litosfäärijuuria, jotka ulottuvat vähintään 150-200 km: n päähän, ja kimberliitin muodostuminen vaipassa liittynee näiden syvien mantereisten juurten tarjoamaan fyysiseen esteeseen vaipan nousulle. Riippumatta siitä, miten kimberliitit muodostuvat, näiden purkausten yhteys syviin mantereisiin juuriin on toinen niistä ihmeellisistä mysteereistä, jotka liittyvät siihen, miten kimberliitit toimittavat timantteja. Nämä syvät mantereiset juuret ovat maan timanttivarasto.

käynnissä oleva tutkimus

kimberliiteistä ja kimberliittimagmojen ja niiden kantamien timanttien välisestä suhteesta on vielä paljon opittavaa: miksi timantti tarkalleen ottaen selviytyy kimberliitin purkauksessa? Mitkä timantin pinnan ominaisuudet liittyvät kimberlite magman vaikutuksiin verrattuna niihin, jotka voivat johtua nesteistä syvällä vaipassa, jossa timantit asuvat (esim. Fedortchouk, 2019)?

vaikka jokainen kimberliitti on ainutlaatuinen, tarvitaan yleisiä purkaus—ja asennusmalleja (KS. laatikko C), jotta voidaan ymmärtää, miksi monet kimberliitit ovat vailla timantteja-johtuuko tämä yksinkertaisesti siitä, että ne eivät purkautuneet timanttia sisältävän vaipan läpi? Vai liittyykö timanttien puute jotenkin hajoamis-ja / tai purkamismekanismeihin? Tällaiset tiedot ovat tärkeitä uusien timanttiesiintymien etsinnässä ja arvioinnissa.

laatikko C: Kimberliitin purkaus

Kimberliteissä kaikissa on syvyydessä ”magmaattinen putkisto”, joka voi koostua lieriömäisestä (putkesta), tasomaisesta pystysuorasta (dike) ja / tai tasomaisesta (sill) muodosta syvyydessä. Vain lähellä pintaa magman suuri Haihtuva pitoisuus aiheuttaa purkautuvan ”purkautumisen”, joka johtaa tulivuoren kraatteriin; tämä on magmaattinen malli (Sparks et al., 2006). Toinen purkausmalli on phreatomagmaattinen malli (Lorenz et al., 2003), jonka mukaan purkauksen taustalla on magman reaktio pintaveden kanssa magman kaasujen ja haihtuvien aineiden sijaan. Argyle lamproiten purkaukselle ehdotettiin phreatomagmaattista mallia (Rayner et al., 2018) ja joitakin purkautuvia vaiheita Fort à la Cornessa (Kjarsgaard et al., 2009). Sekä magmaattinen että phreatomagmaattinen purkautumisvaihe esitetään kuvassa C-1.

Viime kädessä on syytä välittää kimberliiteistä, jotka eivät suoraan liity niiden timanttinäytteiden ottamiseen, vaan pikemminkin laajamittaiseen näkemykseen kiinteän maan syvimmistä geokemiallisista kiertokuluista. Kimberlite magma on ääripääjäsen, sillä siinä on pieniä määriä vaipan sulamista ja suuria haihtuvia (mukaan lukien vesi ja hiilidioksidi) pitoisuuksia. Miten tällaiset sulat muodostuvat ja siirtyvät näin korkeissa paineissa ja lämpötiloissa? Mitä nuorten kimberliittien suuri osuus paljastaa laattatektoniikasta ja haihtuvien aineiden syvästä kierrätyksestä? Mitä kimberliitit voivat kertoa kiinteän maapallon dynamiikan ja ilmakehän tärkeimmän kasvihuonekaasumme, hiilidioksidin, välisestä yhteydestä?

olemme korostaneet kimberliittien geologisia, historiallisia ja käytännöllisiä peruspiirteitä. Poikkeuksellista on se, että kun lopulta hankitaan luonnontimantti, saamme kiittää kimberliittiä sen tuomisesta meille.