I diamanti sono le gemme più sorprendenti. Altrettanto sorprendente, tuttavia, è il modo in cui i diamanti naturali raggiungono la superficie terrestre. I diamanti si formano da 150 a 700 km di profondità nella Terra, e vengono poi portati verso l’alto in una rara eruzione vulcanica di un magma kimberlite. L’uomo non ha mai assistito a un evento del genere e si pensa che l’eruzione di questo magma sia il tipo di eruzione vulcanica più rapido e violento sulla Terra. Fortunatamente, poiché il diamante è il minerale più duro, di solito può sopravvivere a una manipolazione così ruvida. Questo sistema di consegna sotto forma di trasporto vulcanico aggiunge solo alla mistica e al valore del diamante naturale.

Esistono due tipi principali di magma che trasportano i diamanti naturali in superficie. Questi magmi cristallizzano sul raffreddamento in rocce vulcaniche note come kimberlite e lamproite (vedi riquadro A). La kimberlite è di gran lunga il tipo dominante di eruzione per portare i diamanti sulla superficie terrestre (figura 1). Anche se il diamante è solo un passeggero accidentale e non effettivamente creato dalla kimberlite, una conoscenza di base delle kimberliti ci aiuta a capire l’impostazione per la maggior parte della formazione di diamanti naturali nel mantello.

Box A: Nomi delle rocce

Le rocce, come i minerali, hanno i loro nomi dati dalla comunità internazionale dei geologi quando sono riconosciuti per quello che sono. Nel caso delle rocce, questi nomi si basano sulla composizione chimica, sulla consistenza (figura A-1), sul colore, sul contenuto minerale e sul modo in cui si formano. Una volta che un nome roccia come kimberlite è stato definito e accettato, che diventa stenografia per tutte le sue caratteristiche—compresi quelli che sono osservabili dal geologo campo in affioramento e quelli che riguardano la sua effettiva origine in profondità all ” interno della Terra da processi tettonici piastra. I nomi Rock sono utili perché incarnano tutte queste idee importanti.

Kimberlite è il nome dato a una roccia ignea estrusiva povera di silice e ricca di magnesio (ad esempio, una roccia vulcanica) che contiene grandi quantità di olivina, spesso serpentinizzata. È una miscela altamente variabile di fusione, minerali che cristallizzano dalla fusione e cristalli estranei e pezzi di roccia. Kimberlite può verificarsi nel campo come dighe o tubi che cristallizzano vicino ma sotto la superficie (hypabyssal kimberlite) o come magmi che eruttano vulcanicamente (volcaniclastic kimberlite).

La lamproite è il nome della roccia dato ad una roccia ignea extrusiva cristallizzata che è ricca di potassio e magnesio e manca del feldspato minerale crostale comune. Mentre le lamproiti sono molto più comuni delle kimberliti, quelle che portano diamanti sono molto più rare delle kimberliti. Infatti, sappiamo solo di circa quattro o cinque lamproiti diamondiferous sulla Terra.

La relazione tra Kimberlite e diamante

Prima della scoperta delle kimberliti, i diamanti erano tutti estratti da fonti alluvionali secondarie: ambienti fluviali in cui i diamanti erano stati erosi dalla loro fonte primaria. Diamanti storici provenienti dall’India sono stati prevalentemente recuperati lungo il fiume Krishna in Madhya Pradesh. Oggi, l’estrazione secondaria di diamanti si verifica ancora in molte aree di Sierra Leone, Brasile, Angola, Namibia e persino lungo il fondo marino dove i fiumi si riversano negli oceani.

La presenza comune di pezzi di scisto nella prima kimberlite scoperta ha confuso i primi geologi (vedi riquadro B). Lo scisto era un pezzo della roccia circostante che era stato raccolto dalla kimberlite mentre viaggiava attraverso la crosta prima dell’eruzione. Poiché lo scisto è spesso molto ricco di carbonio, alcuni geologi hanno ragionato che i diamanti potrebbero essersi formati per reazione tra il magma e lo scisto (Lewis, 1887b). All’epoca, circa 30 anni prima della scoperta della radioattività, non c’era modo di determinare con precisione l’età assoluta di un diamante (vedi Primavera 2019 Diamonds from the Deep), la kimberlite o lo scisto.

Riquadro B: Scoperta delle Kimberliti come roccia di origine per i diamanti

Tra il 1866 e il 1869, i primi diamanti sudafricani furono scoperti lungo i letti del fiume Vaal e Orange (noti come diamanti “alluvionali”). Questo fu seguito dalle prime scoperte di diamanti nella loro roccia di origine primaria a Jagersfontein, Koffiefontein e nell’area di Kimberley nel 1870. La figura B-1 mostra le prime operazioni minerarie a Kimberley.

Ernest Cohen riconobbe per la prima volta questa nuova roccia sorgente come ignea (Janse, 1985), e Henry Lewis (1887a) propose di chiamare la roccia “kimberlite.”Prende il nome dalla città di Kimberley, che a sua volta prende il nome da Lord Kimberley, il Segretario di Stato britannico (Field et al., 2008, e riferimenti ivi). Le osservazioni di Lewis (1887b), estratte di seguito, forniscono uno sguardo interessante sulla comprensione nascente delle condizioni geologiche delle occorrenze di diamanti più di 130 anni fa:

Nel 1870, quando circa diecimila persone si erano radunate lungo le rive del Vaal, arrivò la notizia della scoperta di diamanti in un punto a circa quindici miglia dal fiume, dove ora sorge la città di Kimberley. Questi erano i cosiddetti “scavi a secco”, in un primo momento pensato per essere depositi alluvionali, ma ora si è rivelato essere tubi vulcanici di un carattere molto interessante. Quattro di questi tubi o colli, tutti ricchi di diamanti e di struttura geologica simile, sono stati trovati vicini. È stato dimostrato che scendono verticalmente a una profondità sconosciuta, penetrando negli strati circostanti. Il materiale diamantato in un primo momento scavato era una terra giallastra fatiscente, che ad una profondità di circa 50 piedi divenne più dura e più scura, acquisendo infine un colore blu o verde scuro e una sensazione untuosa, simile a certe varietà di serpentine. Questa è la ben nota “terra blu” dei minatori di diamanti.

Viene esposto al sole per un breve periodo, quando si disintegra prontamente, e viene poi lavato per i suoi diamanti. Questo “terreno blu” è stato ora penetrato ad una profondità di 600 piedi, e si trova a diventare più duro e più rock-like come la profondità aumenta.

Le porzioni diamantate contengono spesso così tante inclusioni di scisto da assomigliare a una breccia, e quindi la lava passa per gradi in tufo o cenere vulcanica, che è anche ricca di diamanti, ed è più facilmente decomponibile della lava più densa.

Sembra evidente che i tubi diamantati siano veri e propri colli vulcanici, composti da una lava basica associata ad una breccia vulcanica e al tufo, e che i diamanti siano minerali secondari prodotti dalla reazione di questa lava, con calore e pressione, sugli scisti carboniosi a contatto con essa e da essa avvolti.

Ci sono voluti esperimenti e analisi geochimiche per dimostrare che i diamanti non si formano come risultato della reazione di kimberlite con lo scisto. Ma ci vorrebbero più di 100 anni dopo la scoperta della kimberlite per dimostrare che i diamanti non cristallizzano dal magma della kimberlite.

Il primo passo nella nostra conoscenza della relazione tra diamanti e kimberliti viene dai primi lavori su come il diamante cristallizza. Gli esperimenti in laboratorio hanno dimostrato che la trasformazione della grafite in diamante si è verificata ad alta pressione e temperatura in profondità nel mantello, anche se ora conosciamo la maggior parte delle forme di diamante da altre reazioni (vedi Diamanti invernali 2018 dal profondo). Successivamente, i geoscienziati hanno ottenuto vincoli di pressione e temperatura per la formazione del diamante (dalle rocce ospiti del diamante e dalle loro inclusioni minerali), rafforzando l’origine ad alta pressione per i diamanti naturali (ad esempio, Bundy et al., 1961; Mitchell e Crocket, 1971). La prova della loro origine ad alta pressione significava che i diamanti dovevano chiaramente essersi formati prima di qualsiasi interazione tra kimberlite e rocce crostali come lo scisto (di nuovo, vedi riquadro B). Tuttavia, si pensava ancora che i diamanti potessero cristallizzare dal magma della kimberlite in profondità nel mantello prima che avvenisse l’eruzione sulla superficie terrestre, o che i diamanti crescessero in condizioni metastabili durante l’ascesa della kimberlite (Mitchell e Crocket, 1971).

Nel 1970, gli scienziati hanno usato la datazione isotopica dei minerali kimberlitici per determinare le prime età delle eruzioni kimberlitiche. Usando la geocronologia Rb-Sr delle miche kimberlitiche, i geoscienziati dell’Università del Witwatersrand hanno determinato che i kimberliti dell’area di Kimberley eruttarono circa 86 milioni di anni fa (Allsopp e Barrett, 1975). Intorno allo stesso tempo, la geocronologia U-Pb sugli zirconi kimberlitici di questi stessi kimberliti ha mostrato risultati simili, che hanno eruttato circa 90 milioni di anni fa (Davis et al., 1976). Più tardi lavoro analitico raffinato queste età (ad esempio, Allsopp e Kramers, 1977; Davis, 1977, 1978; Clement et al., 1979; Kramers e Smith, 1983; Smith, 1983). Ora sappiamo che la maggior parte dei kimberliti terrestri eruttò relativamente di recente (geologicamente parlando) tra 250 e 50 milioni di anni fa (vedi compilazioni in Heaman et al., 2003; Jelsma et al., 2009; Tappe et al., 2018).

Nel 1980, Stephen H. Richardson e colleghi del MIT, lavorando su diamanti dalle miniere di Kimberley, ha scoperto che i diamanti variano in età da un miliardo di anni a più di tre miliardi di anni e che hanno avuto origine nella regione del mantello litosferico sotto il cratone Kaapvaal (Richardson et al., 1984). Dal momento che il Kimberley kimberlites eruttò solo 84 milioni di anni fa (Clement et al., 1979), the Richardson et al. lo studio ha dimostrato definitivamente che i diamanti non avevano alcuna relazione genetica con la kimberlite. Questo rapporto di età di base vale per tutti gli altri kimberlites diamondiferous. Le eruzioni di Kimberlite, quindi, sono solo il modo in cui i diamanti si fanno strada dalla profondità del mantello alla superficie terrestre. I diamanti sono semplicemente il passeggero e i kimberliti sono il loro trasporto.

Perché i diamanti sopravvivono nella Kimberlite durante l’eruzione?

Un’altra caratteristica meravigliosa del modo in cui i kimberliti trasportano diamanti da grande profondità è che i diamanti riescono a sopravvivere. I diamanti grezzi sono spesso riassorbiti dalle loro forme ottaedriche primarie in forme secondarie chiamate dodecaedri. Questo perché i kimberliti sono in procinto di sciogliere il diamante—è solo che questo processo non è andato a compimento. Quasi tutti gli altri magmi sulla Terra, come i basalti e le andesiti, dissolverebbero completamente il diamante, quindi è un dono della natura che i kimberliti permettano ai diamanti di sopravvivere.

Il successo del trasporto e della consegna del diamante si verifica anche perché i kimberliti eruttano più velocemente e sono meno ossidanti di altri magmi sulla Terra. I diamanti possono anche essere schermati in pezzi delle loro rocce ospiti durante gran parte del loro trasporto. La velocità è l’essenza qui: si stima che una kimberlite a bassa viscosità viaggi a velocità intorno alle 8-40 miglia all’ora (Sparks et al., 2006), mentre un magma basaltico a viscosità normale si muove ad una frazione di questo ritmo. Anche la composizione chimica della kimberlite e dei suoi componenti volatili sono considerati fattori importanti.

Eruzioni di kimberlite nella storia della Terra

Dalle osservazioni sul campo fatte nel sito di kimberliti in posizione, le kimberliti sono più esplosive delle eruzioni che vediamo oggi in luoghi come Hawaii, Islanda, Indonesia e Mount St. Helens. Le prove per la granulazione dei cristalli, l’arrotondamento degli xenoliti e la frammentazione (vedi riquadro A, figura A-1) portano i geologi a concludere che le eruzioni di kimberlite sono molto più violente e violano la superficie con le più alte velocità di qualsiasi vulcano.

Le ultime eruzioni note di kimberlite sono state le kimberliti delle colline Igwisi di circa 10.000 anni fa (Brown et al., 2012) in Tanzania, anche se c’è qualche dibattito sul fatto che questi costituiscano la vera kimberlite. Inoltre, questi kimberliti non sono diamantati. I kimberliti africani più giovani sono i Kundelungu kimberliti di 32 milioni di anni nella Repubblica Democratica del Congo (Batumike et al., 2008). Le più recenti eruzioni simili a kimberlite diamantate sono state le lamproiti di West Kimberley (box A), che hanno eruttato da 24 a 19 milioni di anni fa (Allsopp et al., 1985). Circa il 45% di queste lamproiti sono diamantate, anche se solo due sono state estratte per i loro diamanti.

Le kimberliti sono state in eruzione almeno dall’Archeano, e le più antiche scoperte finora sono le kimberliti mitziche in Gabon (Africa occidentale), che eruttarono circa 2,8 miliardi di anni fa (de Wit et al., 2016). Tuttavia, le kimberliti non sono state continuamente in eruzione da quel momento, e globalmente ci sono stati diversi periodi di tempo in cui le kimberliti hanno eruttato più frequentemente (Heaman et al., 2003; Jelsma et al., 2009):

Come e perché si formano i Kimberliti?

Composizione di fusione.La composizione di fusione primaria (o originale) della kimberlite è poco conosciuta perché la roccia che vediamo oggi è una miscela fisica così variabile e complicata. Kimberlite contiene magma che è stato mescolato con molti componenti raccolti lungo il percorso >150 km fino alla superficie. In superficie, la kimberlite contiene materiale a matrice a grana fine e minerali noti come fenocristi, minerali estranei noti come xenocristi (il diamante è lo xenocristo che vogliamo!), e rocce straniere conosciute come xenoliti. In altre parole, la kimberlite è considerata una roccia “ibrida”. Gli xenoliti stessi sono molto interessanti per i geologi perché sono campioni della roccia attraverso cui è passata la kimberlite.

Il minerale predominante nella kimberlite è l’olivina, che potrebbe essere fenocristica (dalla kimberlite stessa) o xenocristica (dal mantello e interrotta e campionata dall’eruzione). Fare la distinzione tra queste due popolazioni di olivina non è sempre chiaro. L’olivina è facilmente alterata in un minerale chiamato serpentina, e questa alterazione rende anche difficile la stima della composizione magmatica originale.

Esistono molti modi diversi per provare a determinare la composizione di fusione primaria: condurre esperimenti ad alte pressioni e temperature, osservando le inclusioni di fusione presenti nei minerali di kimberlite e eseguendo calcoli di bilancio di massa in cui la xenocristi e il materiale di alterazione vengono sottratti per arrivare al materiale di kimberlite rimanente. Tutti questi diversi approcci sembrano ora suggerire che i magmi di kimberlite si formino come fusioni ricche di carbonato nel mantello astenosferico (Stone and Luth, 2016; Bussweiler et al., 2016; Stamm e Schmidt, 2017; Soltys et al., 2018; Howarth e Buttner, 2019). Il magma di kimberlite si forma dopo basse quantità di fusione della peridotite (vedi Diamonds from the Deep dell’inverno 2018 per ulteriori informazioni sulla peridotite), a profondità intorno a 200-300 km e contiene elevate quantità di anidride carbonica e acqua. La presenza di questi cosiddetti componenti volatili nel magma di kimberlite è uno dei motivi per cui si pensa che le eruzioni di kimberlite siano particolarmente esplosive.

Perché è iniziata la fusione? Ora sappiamo approssimativamente dove sono nati i magmi della kimberlite terrestre, ma perché è iniziato lo scioglimento? Il “trigger” per Terra profonda fusione che precedono la kimberlite eruzione non sono le stesse per tutti kimberlites, e ci sono tre principali su larga scala geologica scenari che i geologi di solito in considerazione:

1. mantello di piume che sale dalle profondità nel mantello e l’interazione con il cratonic litosfera
2. la subduzione della crosta oceanica e associati collisionale processi durante il supercontinente formazione
3. tectonothermal eventi associati con supercontinente rottura (ad esempio, Heaman e Kjarsgaard, 2000, Heaman et al., 2004; Jelsma et al., 2009; Kjarsgaard et al., 2017)

In particolare, il rifting dei continenti e la rottura del supercontinente—con fratturazione associata e deformazione fragile nella litosfera—forniscono i percorsi per i magmi di kimberlite per raggiungere la superficie (ad esempio, Jelsma et al., 2009). Ma alla base di tutti questi processi di generazione del magma e della conseguente eruzione della kimberlite c’è la relazione con il processo della tettonica delle placche. Senza tettonica a placche per riciclare carbonato e volatili nel mantello, non ci sarebbero kimberliti.

Dove si verificano i Kimberliti?

I kimberliti non eruttano in tutte le aree della Terra. Globalmente, le kimberliti si verificano tutte al di sotto delle parti più antiche dei continenti, note come cratoni (figura 2) (Clifford, 1966; Shirey e Shigley, 2013). I cratoni hanno spesse radici litosferiche che si estendono fino ad almeno 150-200 km, e la generazione di kimberlite nel mantello è probabilmente associata alla barriera fisica all’upwelling del mantello fornita da queste profonde radici continentali. Indipendentemente da come si formano le kimberliti, l’associazione di queste eruzioni con profonde radici continentali è un altro dei meravigliosi misteri su come le kimberliti consegnano diamanti. Queste profonde radici continentali sono il magazzino di diamanti della Terra.

Ricerca in corso

C’è ancora molto da imparare sulle kimberliti e sulla relazione tra i magmi kimberliti e i diamanti che trasportano: perché esattamente il diamante sopravvive in un’eruzione kimberlitica? Quali caratteristiche superficiali su un diamante sono correlate agli effetti del magma di kimberlite rispetto a quelli che potrebbero essere causati da fluidi in profondità nel mantello in cui risiedono i diamanti (ad esempio, Fedortchouk, 2019)?

Mentre ogni kimberlite è unica, sono necessari modelli generali di eruzione e posizionamento (vedi riquadro C) per aiutare a capire perché molti kimberliti sono privi di diamanti—è semplicemente perché non eruttano attraverso il mantello diamantato? O la mancanza di diamanti è in qualche modo correlata ai meccanismi di dissoluzione e/o eruzione? Informazioni come questa sono importanti durante l’esplorazione e la valutazione di nuove occorrenze di diamanti.

Box C: Kimberlite Eruption

I Kimberliti hanno tutti sistemi di alimentazione “idraulici magmatici” a profondità che possono essere composti da una forma cilindrica (tubo), una verticale planare (diga) e / o una forma orizzontale planare (davanzale) a profondità. È solo vicino alla superficie che l’alto contenuto volatile del magma provoca uno “scoppio” eruttivo che si traduce in un cratere vulcanico; questo è il modello magmatico (Sparks et al., 2006). Un altro modello di eruzione è il modello freatomagmatico (Lorenz et al., 2003), che propone che sia la reazione del magma con l’acqua superficiale che guida l’eruzione, piuttosto che i gas e le sostanze volatili nel magma. Il modello freatomagmatico è stato proposto per l’eruzione della lamproite Argyle (Rayner et al., 2018) e alcune fasi eruttive a Fort à la Corne (Kjarsgaard et al., 2009). Entrambe le fasi eruttive magmatiche e freatomagmatiche sono mostrate nella figura C-1.

In definitiva ci sono ragioni per preoccuparsi di kimberliti che non si riferiscono direttamente al loro campionamento di diamanti, ma piuttosto alla visione su larga scala dei cicli geochimici più profondi della Terra solida. Il magma di Kimberlite è un membro estremo dell’estremità per le piccole quantità di fusione del mantello e di alto contenuto volatile (compreso acqua ed anidride carbonica). Come si formano e migrano tali fusioni a pressioni e temperature così elevate? Cosa rivela l’alta percentuale di giovani kimberliti sulla tettonica delle placche e sul riciclaggio profondo dei volatili? Cosa possono dirci i kimberliti sulla connessione tra la dinamica della Terra solida e il nostro principale gas serra atmosferico, l’anidride carbonica?

Abbiamo evidenziato le caratteristiche geologiche, storiche e pratiche di base delle kimberliti. Ciò che è eccezionale è che alla fine, quando viene acquistato un diamante naturale, abbiamo un kimberlite da ringraziare per averlo portato a noi.