Les diamants sont les gemmes les plus étonnantes. Cependant, la façon dont les diamants naturels atteignent la surface de la Terre est tout aussi étonnante. Les diamants sont formés de 150 à 700 km de profondeur dans la Terre, puis sont transportés vers le haut lors d’une rare éruption volcanique d’un magma de kimberlite. L’homme n’a jamais été témoin d’un tel événement, et l’éruption de ce magma est considérée comme le type d’éruption volcanique le plus rapide et le plus violent sur Terre. Heureusement, comme le diamant est le minéral le plus dur, il peut généralement survivre à une manipulation aussi brutale. Ce système de livraison sous forme de transport volcanique ne fait qu’ajouter à la mystique et à la valeur du diamant naturel.

Il existe deux principaux types de magma qui transportent les diamants naturels à la surface. Ces magmas cristallisent lors du refroidissement en roches volcaniques appelées kimberlite et lamproïte (voir encadré A). La kimberlite est de loin le type d’éruption dominant pour amener les diamants à la surface de la Terre (figure 1). Bien que le diamant ne soit qu’un passager accidentel et ne soit pas réellement créé par la kimberlite, une compréhension de base des kimberlites nous aide à comprendre le cadre de la formation de la plupart des diamants naturels dans le manteau.

Encadré A:Noms de roches

Les roches, comme les minéraux, ont leurs propres noms donnés par la communauté internationale des géologues lorsqu’elles sont reconnues pour ce qu’elles sont. Dans le cas des roches, ces noms sont basés sur la composition chimique, la texture (figure A-1), la couleur, la teneur en minéraux et la façon dont ils se forment. Une fois qu’un nom de roche tel que la kimberlite a été défini et accepté, cela devient un raccourci pour toutes ses caractéristiques — y compris celles qui sont observables par le géologue de terrain en affleurement et celles qui se rapportent à son origine réelle au plus profond de la Terre par des processus tectoniques des plaques. Les noms de rock sont utiles car ils incarnent toutes ces idées importantes.

La kimberlite est le nom donné à une roche ignée extrusive pauvre en silice et riche en magnésium (par exemple, une roche volcanique) qui contient des quantités importantes d’olivine, souvent serpentinisée. C’est un mélange très variable de fonte, de minéraux cristallisant à partir de la fonte, de cristaux étrangers et de morceaux de roche. La kimberlite peut se produire sur le terrain sous forme de digues ou de tuyaux qui cristallisent près de la surface mais sous la surface (kimberlite hypabyssale) ou sous forme de magmas qui entrent en éruption volcaniquement (kimberlite volcanoclastique).

La lamproite est le nom de roche donné à une roche ignée extrusive cristallisée riche en potassium et en magnésium et dépourvue du feldspath minéral crustal commun. Alors que les lamproïtes sont beaucoup plus courantes que les kimberlites, celles qui portent des diamants sont beaucoup plus rares que les kimberlites. En fait, nous ne connaissons qu’environ quatre ou cinq lamproïtes diamondifères sur Terre.

La relation Entre la Kimberlite et le Diamant

Avant la découverte des kimberlites, les diamants étaient tous extraits de sources alluviales secondaires: des environnements fluviaux où les diamants avaient été érodés de leur source primaire. Les diamants historiques de l’Inde ont été principalement récupérés le long de la rivière Krishna dans le Madhya Pradesh. Aujourd’hui, l’extraction secondaire de diamants se produit encore dans de nombreuses régions de la Sierra Leone, du Brésil, de l’Angola, de la Namibie et même le long du fond marin où les rivières se déversent dans les océans.

La présence fréquente de morceaux de schiste dans la première kimberlite découverte a dérouté les premiers géologues (voir encadré B). Le schiste était un morceau de la roche environnante qui avait été ramassé par la kimberlite lorsqu’elle traversait la croûte avant l’éruption. Comme le schiste est souvent très riche en carbone, certains géologues ont estimé que les diamants pourraient s’être formés par réaction entre le magma et le schiste (Lewis, 1887b). À l’époque, environ 30 ans avant la découverte de la radioactivité, il n’existait aucun moyen de déterminer avec précision l’âge absolu d’un diamant (voir Diamants du printemps 2019 des profondeurs), de la kimberlite ou du schiste.

Encadré B :Découverte des Kimberlites comme Roche source des diamants

Entre 1866 et 1869, les premiers diamants sud-africains ont été découverts le long des lits des rivières Vaal et Orange (appelés diamants « alluviaux”). Cela a été suivi par les premières découvertes de diamants dans leur roche source primaire à Jagersfontein, Koffiefontein et dans la région de Kimberley en 1870. La figure B-1 montre les premières opérations minières à Kimberley.

Ernest Cohen a d’abord reconnu cette nouvelle roche source comme ignée (Janse, 1985), et Henry Lewis (1887a) a proposé d’appeler la roche « kimberlite. »Il a été nommé d’après la ville de Kimberley, qui à son tour a été nommée d’après Lord Kimberley, le secrétaire d’État britannique (Field et al., 2008, et références y figurant). Les observations de Lewis (1887b), extraites ci-dessous, fournissent un aperçu intéressant de la compréhension naissante des conditions géologiques des occurrences de diamants il y a plus de 130 ans:

En 1870, alors qu’une dizaine de milliers de personnes s’étaient rassemblées le long des rives du Vaal, la nouvelle est venue de la découverte de diamants à un point situé à une quinzaine de kilomètres de la rivière, où se trouve maintenant la ville de Kimberley. Il s’agissait des « fouilles sèches”, d’abord considérées comme des dépôts alluviaux, mais qui se sont révélées être des tuyaux volcaniques d’un caractère très intéressant. Quatre de ces tuyaux ou cols, tous riches en diamants, et de structure géologique similaire, ont été trouvés rapprochés. Il a été prouvé qu’ils descendent verticalement à une profondeur inconnue, pénétrant dans les strates environnantes. Au début, le matériau diamanté excavé était une terre jaunâtre en ruine qui, à une profondeur d’environ 50 pieds, devenait plus dure et plus foncée, acquérant finalement une couleur bleu ardoise ou vert foncé et une sensation grasse, ressemblant à certaines variétés de serpentine. C’est le fameux « sol bleu” des diamantaires.

Il est exposé au soleil pendant une courte période, lorsqu’il se désintègre facilement, puis est lavé pour ses diamants. Ce « sol bleu » a maintenant été pénétré à une profondeur de 600 pieds et devient plus dur et plus rocailleux à mesure que la profondeur augmente.

Les parties diamantées contiennent souvent tellement d’inclusions de schiste qu’elles ressemblent à une brèche, et ainsi la lave passe par degrés en tuf ou en cendres volcaniques, qui est également riche en diamants, et est plus facilement décomposable que la lave plus dense.

Il semble évident que les tuyaux diamantés sont de véritables cols volcaniques, composés d’une lave très basique associée à une brèche volcanique et à du tuf, et que les diamants sont des minéraux secondaires produits par la réaction de cette lave, avec la chaleur et la pression, sur les schistes carbonés en contact et enveloppés par elle.

Il a fallu des expériences et des analyses géochimiques pour montrer que les diamants ne se forment pas à la suite d’une réaction de kimberlite avec le schiste. Mais il faudrait plus de 100 ans après la découverte de la kimberlite pour prouver que les diamants ne cristallisent pas à partir du magma de kimberlite.

La première étape de notre connaissance de la relation entre les diamants et les kimberlites provient des premiers travaux sur la cristallisation du diamant. Des expériences en laboratoire ont montré que la transformation du graphite en diamant se produisait à haute pression et température profondément dans le manteau, bien que nous connaissions maintenant la plupart des formes de diamant par d’autres réactions (voir Diamants d’hiver 2018 des profondeurs). Par la suite, les géoscientifiques ont obtenu des contraintes de pression et de température pour la formation de diamants (à partir de roches hôtes de diamants et de leurs inclusions minérales), renforçant l’origine à haute pression des diamants naturels (p. ex., Bundy et al., 1961; Mitchell et Crocket, 1971). La preuve de leur origine sous haute pression signifiait que les diamants devaient clairement s’être formés avant toute interaction entre la kimberlite et les roches crustales telles que le schiste (encore une fois, voir l’encadré B). Cependant, on pensait encore que les diamants pouvaient cristalliser à partir du magma de kimberlite en profondeur dans le manteau avant l’éruption à la surface de la Terre, ou que les diamants poussaient dans des conditions métastables pendant l’ascension de la kimberlite (Mitchell et Crocket, 1971).

Dans les années 1970, les scientifiques ont utilisé la datation isotopique des minéraux kimberlitiques pour déterminer les premiers âges des éruptions de kimberlite. En utilisant la géochronologie Rb-Sr des micas kimberlitiques, des géoscientifiques de l’Université du Witwatersrand ont déterminé que les kimberlites de la région de Kimberley ont éclaté il y a environ 86 millions d’années (Allsopp et Barrett, 1975). À peu près à la même époque, la géochronologie U-Pb sur les zircons kimberlitiques de ces mêmes kimberlites a montré des résultats similaires, qu’ils ont éclaté il y a environ 90 millions d’années (Davis et al., 1976). Des travaux analytiques ultérieurs ont affiné ces âges (par exemple, Allsopp et Kramers, 1977; Davis, 1977, 1978; Clement et al., 1979; Kramers et Smith, 1983; Smith, 1983). Nous savons maintenant que la majorité des kimberlites terrestres ont éclaté relativement récemment (géologiquement parlant) entre 250 et 50 millions d’années (voir compilations dans Heaman et al., 2003; Jelsma et coll., 2009; Tappe et coll., 2018).

Dans les années 1980, Stephen H. Richardson et ses collègues du MIT, travaillant sur les diamants des mines de Kimberley, ont découvert que les diamants avaient un âge allant d’un milliard d’années à plus de trois milliards d’années et qu’ils provenaient de la région du manteau lithosphérique sous le craton du Kaapvaal (Richardson et al., 1984). Depuis que les Kimberley Kimberlites ont éclaté il y a seulement 84 millions d’années (Clement et al., 1979), Richardson et al. l’étude a montré définitivement que les diamants n’avaient aucune relation génétique avec la kimberlite. Cette relation d’âge de base vaut pour toutes les autres kimberlites diamondifères. Les éruptions de kimberlite ne sont donc que la façon dont les diamants se frayent un chemin de la profondeur du manteau à la surface de la Terre. Les diamants sont simplement le passager, et les kimberlites sont leur transport.

Pourquoi Les Diamants Survivent-Ils dans la Kimberlite Pendant l’Éruption?

Une autre caractéristique merveilleuse de la façon dont les kimberlites transportent les diamants de grande profondeur est que les diamants parviennent à survivre. Les diamants bruts sont souvent résorbés de leurs formes octaédriques primaires en formes secondaires appelées dodécaèdres. C’est parce que les kimberlites sont en train de dissoudre le diamant — c’est juste que ce processus n’est pas terminé. Presque tous les autres magmas sur Terre, tels que les basaltes et les andésites, dissoudraient complètement le diamant, c’est donc un cadeau de la nature que les kimberlites permettent aux diamants de survivre.

Le transport et la livraison de diamants sont également réussis parce que les kimberlites éclatent plus rapidement et s’oxydent moins que les autres magmas sur Terre. Les diamants peuvent également être protégés dans des morceaux de leurs roches hôtes pendant une grande partie de leur transport. La vitesse est essentielle ici : on estime qu’une kimberlite à faible viscosité se déplace à des vitesses d’environ 8 à 40 milles à l’heure (Sparks et al., 2006), alors qu’un magma basaltique de viscosité normale se déplace à une fraction de ce rythme. La composition chimique de la kimberlite et ses composants volatils sont également considérés comme des facteurs importants.

Les éruptions de kimberlite dans l’histoire de la Terre

D’après les observations de terrain faites sur le site des kimberlites mises en place, les kimberlites sont plus explosives que les éruptions que nous voyons aujourd’hui dans des endroits comme Hawaï, l’Islande, l’Indonésie et le mont St. Helens. Les preuves de granulation cristalline, d’arrondi des xénolithes et de fragmentation (voir encadré A, figure A-1) conduisent les géologues à conclure que les éruptions de kimberlite sont beaucoup plus violentes et pénètrent la surface avec les vitesses les plus élevées de tous les volcans.

Les dernières éruptions de kimberlite connues étaient les kimberlites d’Igwisi Hills, vieilles d’environ 10 000 ans (Brown et al., 2012) en Tanzanie, bien qu’il y ait un débat sur la question de savoir si ceux-ci constituent une véritable kimberlite. De plus, ces kimberlites ne sont pas diamantées. Les kimberlites africaines les plus jeunes sont les Kundelungu kimberlites, vieux de 32 millions d’années, en République démocratique du Congo (Batumike et al., 2008). Les éruptions de type kimberlite diamantées les plus récentes étaient les lamproïtes de Kimberley occidental (encadré A), qui ont éclaté il y a 24 à 19 millions d’années (Allsopp et al., 1985). Environ 45% de ces lamproïtes sont diamantées, bien que seulement deux aient été extraites pour leurs diamants.

Les kimberlites sont en éruption depuis au moins l’Archéen, et les plus anciennes découvertes à ce jour sont les kimberlites mitziques au Gabon (Afrique de l’Ouest), qui ont éclaté il y a environ 2,8 milliards d’années (de Wit et al., 2016). Cependant, les kimberlites n’ont pas été continuellement en éruption depuis ce temps, et globalement, il y a eu plusieurs périodes où les kimberlites ont éclaté plus fréquemment (Heaman et al., 2003; Jelsma et coll., 2009):

Comment et pourquoi les kimberlites se forment-elles?

Composition fondue.La composition de fusion primaire (ou originale) de la kimberlite est mal connue car la roche que nous voyons aujourd’hui est un mélange physique si variable et compliqué. La kimberlite contient du magma qui a été mélangé à de nombreux composants ramassés le long du trajet > de 150 km vers la surface. À la surface, la kimberlite contient un matériau matriciel à grains fins et des minéraux appelés phénocristaux, des minéraux étrangers appelés xénocristaux (le diamant étant le xénocristal que nous voulons!), et des roches étrangères appelées xénolithes. En d’autres termes, la kimberlite est considérée comme une roche « hybride”. Les xénolithes eux-mêmes sont très intéressants pour les géologues car ce sont des échantillons de la roche à travers laquelle la kimberlite est passée.

Le minéral prédominant dans la kimberlite est l’olivine, qui pourrait être soit phénocristalline (de la kimberlite elle-même), soit xénocristalline (du manteau et cassée et échantillonnée par l’éruption). Faire la distinction entre ces deux populations d’olivine n’est pas toujours clair. L’olivine se transforme facilement en un minéral appelé serpentine, et cette altération rend également difficile l’estimation de la composition originale du magma.

Il existe de nombreuses façons d’essayer de déterminer la composition de fusion primaire: effectuer des expériences à des pressions et des températures élevées, examiner les inclusions de fusion trouvées dans les minéraux de kimberlite et effectuer des calculs de bilan massique où le xénocristal et le matériau d’altération sont soustraits pour arriver au matériau de kimberlite restant. Toutes ces différentes approches semblent maintenant suggérer que les magmas de kimberlite se forment sous forme de fondus riches en carbonate dans le manteau asthénosphérique (Stone and Luth, 2016; Bussweiler et al., 2016; Stamm et Schmidt, 2017; Soltys et al., 2018; Howarth et Buttner, 2019). Le magma de kimberlite se forme après de faibles quantités de péridotite fondue (voir Diamants des profondeurs de l’hiver 2018 pour plus d’informations sur la péridotite), à des profondeurs d’environ 200 à 300 km, et contient de grandes quantités de dioxyde de carbone et d’eau. La présence de ces composants dits volatils dans le magma de kimberlite est l’une des raisons pour lesquelles les éruptions de kimberlite sont considérées comme particulièrement explosives.

Pourquoi La Fusion A-T-Elle Commencé ? Nous savons maintenant à peu près d’où sont originaires les magmas de kimberlite de la Terre, mais pourquoi la fonte a-t-elle réellement commencé? Les « déclencheurs” de la fonte de la Terre profonde qui précède l’éruption de la kimberlite ne sont pas les mêmes pour toutes les kimberlites, et les géologues considèrent généralement trois scénarios géologiques principaux à grande échelle:

1. panaches du manteau s’élevant des profondeurs du manteau et interagissant avec la lithosphère cratonique
2. subduction de la croûte océanique et processus collisionnels associés lors de la formation du supercontinent
3. événements tectonothermiques associés à la rupture du supercontinent (par exemple, Heaman et Kjarsgaard, 2000, Heaman et coll., 2004; Jelsma et coll., 2009; Kjarsgaard et coll., 2017)

En particulier, le rifting des continents et la rupture du supercontinent — avec la fracturation associée et la déformation fragile dans la lithosphère – fournissent les voies permettant aux magmas de kimberlite d’atteindre la surface (par exemple, Jelsma et al., 2009). Mais sous-jacent à tous ces processus de génération de magma et à l’éruption de kimberlite qui en résulte est la relation avec le processus de la tectonique des plaques. Sans la tectonique des plaques pour recycler le carbonate et les substances volatiles dans le manteau, il n’y aurait pas de kimberlites.

Où Se Trouvent Les Kimberlites ?

Les kimberlites n’entrent pas en éruption dans toutes les régions de la Terre. À l’échelle mondiale, les kimberlites se trouvent toutes sous les parties les plus anciennes des continents, appelées cratons (figure 2) (Clifford, 1966; Shirey et Shigley, 2013). Les cratons ont des racines lithosphériques épaisses qui s’étendent jusqu’à au moins 150-200 km, et la génération de kimberlite dans le manteau est probablement associée à la barrière physique à la remontée du manteau fournie par ces racines continentales profondes. Quelle que soit la forme des kimberlites, l’association de ces éruptions avec des racines continentales profondes est un autre des merveilleux mystères sur la façon dont les kimberlites livrent des diamants. Ces racines continentales profondes sont l’entrepôt de diamants de la Terre.

Recherche en cours

Il reste encore beaucoup à apprendre sur les kimberlites et la relation entre les magmas de kimberlite et les diamants qu’ils transportent: Pourquoi exactement le diamant survit-il dans une éruption de kimberlite? Quelles caractéristiques de surface d’un diamant sont liées aux effets du magma de kimberlite par rapport à ceux qui pourraient être causés par des fluides profondément dans le manteau où résident les diamants (par exemple, Fedortchouk, 2019)?

Bien que chaque kimberlite soit unique, des modèles généraux d’éruption et de mise en place (voir encadré C) sont nécessaires pour aider à comprendre pourquoi de nombreuses kimberlites sont dépourvues de diamants — est-ce simplement parce qu’elles n’ont pas éclaté à travers un manteau diamanté? Ou le manque de diamants est-il en quelque sorte lié aux mécanismes de dissolution et / ou d’éruption? De telles informations sont importantes lors de l’exploration et de l’évaluation de nouvelles occurrences de diamants.

Case C:Éruption de kimberlite

Les kimberlites ont toutes des systèmes de « plomberie magmatique” d’alimentation en profondeur qui peuvent être composés d’une forme cylindrique (tuyau), d’une verticale plane (digue) et/ ou d’une forme horizontale plane (seuil) en profondeur. Ce n’est que près de la surface que la forte teneur volatile du magma provoque une « éruption” éruptive qui se traduit par un cratère volcanique; c’est le modèle magmatique (Sparks et al., 2006). Un autre modèle d’éruption est le modèle phréatomagmatique (Lorenz et al., 2003), qui propose que c’est la réaction du magma avec l’eau de surface qui entraîne l’éruption, plutôt que les gaz et les substances volatiles dans le magma. Le modèle phréatomagmatique a été proposé pour l’éruption de la lamproïte Argyle (Rayner et al., 2018) et quelques phases éruptives au Fort à la Corne (Kjarsgaard et al., 2009). Les phases éruptives magmatique et phréatomagmatique sont représentées sur la figure C-1.

En fin de compte, il y a des raisons de se soucier des kimberlites qui ne sont pas directement liées à leur échantillonnage de diamants, mais plutôt à la vue à grande échelle des cycles géochimiques les plus profonds de la Terre solide. Le magma de kimberlite est un élément extrême pour la fusion de petites quantités de manteau et une teneur élevée en matières volatiles (y compris l’eau et le dioxyde de carbone). Comment de telles fontes se forment-elles et migrent-elles à des pressions et des températures aussi élevées? Que révèle le pourcentage élevé de jeunes kimberlites sur la tectonique des plaques et le recyclage en profondeur des substances volatiles? Que peuvent nous dire les kimberlites sur le lien entre la dynamique de la Terre solide et notre principal gaz à effet de serre atmosphérique, le dioxyde de carbone?

Nous avons mis en évidence les caractéristiques géologiques, historiques et pratiques de base des kimberlites. Ce qui est exceptionnel, c’est qu’au final, lorsqu’un diamant naturel est acheté, nous avons une kimberlite à remercier de nous l’avoir apportée.