Los diamantes son las gemas más increíbles. Igual de sorprendente, sin embargo, es la forma en que los diamantes naturales llegan a la superficie de la Tierra. Los diamantes se forman de 150 a 700 km de profundidad en la Tierra, y luego se elevan en una rara erupción volcánica de magma de kimberlita. El hombre nunca ha presenciado tal evento, y se cree que la erupción de este magma es el tipo de erupción volcánica más rápida y violenta de la Tierra. Afortunadamente, dado que el diamante es el mineral más duro, generalmente puede sobrevivir a un manejo tan rudo. Este sistema de entrega en forma de transporte volcánico solo aumenta la mística y el valor del diamante natural.
Hay dos tipos principales de magma que llevan diamantes naturales a la superficie. Estos magmas se cristalizan al enfriarse en rocas volcánicas conocidas como kimberlita y lamproita (véase el recuadro A). La kimberlita es, con mucho, el tipo dominante de erupción para traer diamantes a la superficie de la Tierra (figura 1). Aunque el diamante es solo un pasajero accidental y en realidad no es creado por la kimberlita, una comprensión básica de las kimberlitas nos ayuda a comprender el entorno de la mayor parte de la formación natural de diamantes en el manto.
Recuadro A: Nombres de rocas
Las rocas, al igual que los minerales, tienen sus propios nombres dados por la comunidad internacional de geólogos cuando son reconocidos por lo que son. En el caso de las rocas, estos nombres se basan en la composición química, la textura (figura A-1), el color, el contenido mineral y la forma en que se forman. Una vez que un nombre de roca como kimberlita ha sido definido y aceptado, se convierte en una abreviatura de todas sus características, incluidas las que son observables por el geólogo de campo en el afloramiento y las que se relacionan con su origen real en las profundidades de la Tierra por procesos tectónicos de placas. Los nombres de rock son útiles porque encarnan todas estas ideas importantes.
Kimberlita es el nombre dado a una roca ígnea extrusiva pobre en sílice y rica en magnesio (por ejemplo, una roca volcánica) que contiene grandes cantidades de olivino, a menudo serpentinizado. Es una mezcla muy variable de fusión, minerales cristalizados de la fusión y cristales extraños y piezas de roca. La kimberlita puede ocurrir en el campo como diques o tuberías que cristalizan cerca pero por debajo de la superficie (kimberlita hipabisal) o como magmas que erupcionan volcánicamente (kimberlita vulcaniclástica).
La lamproita es el nombre de roca dado a una roca ígnea extrusiva cristalizada que es rica en potasio y magnesio y que carece del feldespato mineral común de la corteza. Mientras que las lamproitas son mucho más comunes que las kimberlitas, las que llevan diamantes son mucho más raras que las kimberlitas. De hecho, solo sabemos de alrededor de cuatro o cinco lamproitas diamondíferas en la Tierra.
La relación entre Kimberlita y Diamante
Antes del descubrimiento de kimberlitas, todos los diamantes se extraían de fuentes aluviales secundarias: ambientes fluviales donde los diamantes habían sido erosionados de su fuente primaria. Los diamantes históricos de la India se recuperaron predominantemente a lo largo del río Krishna en Madhya Pradesh. Hoy en día, la extracción secundaria de diamantes todavía se produce en muchas áreas de Sierra Leona, Brasil, Angola, Namibia e incluso a lo largo del fondo marino, donde los ríos desembocan en los océanos.
La presencia frecuente de piezas de esquisto en las primeras kimberlitas descubiertas confundió a los primeros geólogos (véase el recuadro B). El esquisto era un pedazo de la roca circundante que había sido recogido por la kimberlita mientras viajaba a través de la corteza antes de la erupción. Dado que el esquisto es a menudo muy rico en carbono, algunos geólogos razonaron que los diamantes podrían haberse formado por la reacción entre el magma y el esquisto (Lewis, 1887b). En ese momento, unos 30 años antes del descubrimiento de la radiactividad, no había forma de determinar con precisión la edad absoluta de un diamante (ver Diamantes de las Profundidades de la primavera de 2019), la kimberlita o el esquisto.
Cuadro B: Descubrimiento de Kimberlitas como Roca de Origen de Diamantes
Entre 1866 y 1869, se descubrieron los primeros diamantes sudafricanos a lo largo de los lechos de los ríos Vaal y Orange (conocidos como diamantes «aluviales»). Esto fue seguido por los primeros descubrimientos de diamantes en su roca de origen primario en Jagersfontein, Koffiefontein y el área de Kimberley en 1870. El gráfico B-1 muestra las primeras operaciones mineras en Kimberley.
En 1870, cuando unas diez mil personas se habían reunido a lo largo de las orillas del Vaal, llegaron las noticias del descubrimiento de diamantes en un punto a unas quince millas del río, donde ahora se encuentra la ciudad de Kimberley. Estas fueron las llamadas «excavaciones secas», que al principio se pensaron que eran depósitos aluviales, pero ahora resultaron ser tuberías volcánicas de un carácter muy interesante. Cuatro de estos tubos o cuellos, todos ricos en diamantes, y de estructura geológica similar, se encontraron muy juntos. Se ha demostrado que descienden verticalmente a una profundidad desconocida, penetrando en los estratos circundantes. El material que contenía diamantes al principio excavado era una tierra amarillenta que se desmoronaba, que a una profundidad de unos 50 pies se volvió más dura y oscura, adquiriendo finalmente un color azul pizarra o verde oscuro y una sensación grasosa, que se asemejaba a ciertas variedades de serpentina. Este es el conocido «suelo azul» de los mineros de diamantes.
Se expone al sol durante un corto tiempo, cuando se desintegra fácilmente, y luego se lava para buscar sus diamantes. Este «suelo azul» ahora ha sido penetrado a una profundidad de 600 pies, y se encuentra que se vuelve más duro y más rocoso a medida que aumenta la profundidad.
Las partes con diamantes a menudo contienen tantas inclusiones de esquisto como para parecerse a una brecha, y por lo tanto la lava pasa de grado en toba o ceniza volcánica, que también es rica en diamantes, y es más fácilmente descomponible que la lava más densa.
Parece evidente que los tubos diamantados son verdaderos cuellos volcánicos, compuestos de una lava muy básica asociada a una brecha volcánica y a toba, y que los diamantes son minerales secundarios producidos por la reacción de esta lava, con calor y presión, sobre los esquistos carbonosos en contacto con ella y envueltos por ella.
Se necesitaron experimentos y análisis geoquímicos para demostrar que los diamantes no se forman como resultado de la reacción de kimberlita con esquisto. Pero se necesitarían más de 100 años después del descubrimiento de la kimberlita para demostrar que los diamantes no cristalizan a partir del magma de kimberlita.
El primer paso en nuestro conocimiento sobre la relación entre los diamantes y las kimberlitas proviene del trabajo inicial sobre cómo cristaliza el diamante. Los experimentos en el laboratorio mostraron que la transformación de grafito en diamante ocurrió a alta presión y temperatura en lo profundo del manto, aunque ahora conocemos la mayoría de las formas de diamante por otras reacciones (ver Diamantes de las profundidades del invierno de 2018). Posteriormente, los geocientíficos obtuvieron restricciones de presión y temperatura para la formación de diamantes (a partir de rocas huésped de diamantes y sus inclusiones minerales), reforzando el origen de alta presión de los diamantes naturales (por ejemplo, Bundy et al., 1961; Mitchell y Crocket, 1971). La evidencia de su origen a alta presión significaba que los diamantes tenían que haberse formado antes de cualquier interacción entre la kimberlita y las rocas de la corteza, como el esquisto (de nuevo, véase el recuadro B). Sin embargo, todavía se pensaba que los diamantes podrían cristalizar del magma de kimberlita en profundidad en el manto antes de que se produjera la erupción a la superficie de la Tierra, o que los diamantes crecieron en condiciones metaestables durante el ascenso de kimberlita (Mitchell y Crocket, 1971).
En la década de 1970, los científicos utilizaron la datación isotópica de minerales kimberlíticos para determinar las primeras edades de las erupciones de kimberlita. Utilizando geocronología Rb-Sr de micas kimberlíticas, los geocientíficos de la Universidad de Witwatersrand determinaron que las kimberlitas de la zona de Kimberley entraron en erupción hace unos 86 millones de años (Allsopp y Barrett, 1975). Casi al mismo tiempo, la geocronología U-Pb en circones kimberlíticos de estas mismas kimberlitas mostró resultados similares, que estallaron hace unos 90 millones de años (Davis et al., 1976). El trabajo analítico posterior refinó estas edades (por ejemplo, Allsopp y Kramers, 1977; Davis, 1977, 1978; Clement et al., 1979; Kramers y Smith, 1983; Smith, 1983). Ahora sabemos que la mayoría de las kimberlitas de la Tierra erupcionaron relativamente recientemente (geológicamente hablando) entre 250 y 50 millones de años atrás (ver compilaciones en Heaman et al., 2003; Jelsma et al., 2009; Tappe et al., 2018).
En la década de 1980, Stephen H. Richardson y sus colegas del MIT, trabajando en diamantes de las minas de Kimberley, encontraron que los diamantes tienen una edad de mil millones de años a más de tres mil millones de años y que se originaron en la región del manto litosférico debajo del cratón Kaapvaal(Richardson et al., 1984). Desde que las kimberlitas de Kimberley entraron en erupción hace solo 84 millones de años (Clement et al., 1979), the Richardson et al. el estudio demostró definitivamente que los diamantes no tenían relación genética con la kimberlita. Esta relación básica de edad se aplica a todas las demás kimberlitas diamondíferas. Las erupciones de kimberlita, entonces, son solo la forma en que los diamantes se abren camino desde la profundidad del manto hasta la superficie de la Tierra. Los diamantes son simplemente el pasajero, y las kimberlitas son su transporte.
¿Por Qué los Diamantes Sobreviven en Kimberlita Durante la Erupción?
Otra característica maravillosa de la forma en que las kimberlitas transportan diamantes desde gran profundidad es que los diamantes logran sobrevivir. Los diamantes en bruto a menudo se reabsorben de sus formas octaédricas primarias a formas secundarias llamadas dodecaedros. Esto se debe a que las kimberlitas están en proceso de disolver el diamante, es solo que este proceso no se ha completado. Casi todos los demás magmas de la Tierra, como los basaltos y las andesitas, disolverían completamente el diamante, por lo que es un regalo de la naturaleza que las kimberlitas permitan que los diamantes sobrevivan.
El transporte y entrega exitosos de diamantes también se produce porque las kimberlitas erupcionan más rápido y son menos oxidantes que otros magmas en la Tierra. Los diamantes también pueden estar protegidos en trozos de sus rocas durante gran parte de su transporte. La velocidad es esencial aquí: Se estima que una kimberlita de baja viscosidad viaja a velocidades de alrededor de 8 a 40 millas por hora (Sparks et al., 2006), mientras que un magma basáltico de viscosidad normal se mueve a una fracción de este ritmo. También se cree que la composición química de la kimberlita y sus componentes volátiles son factores importantes.
Erupciones de Kimberlita en la Historia de la Tierra
De las observaciones de campo realizadas en el sitio de las kimberlitas emplazadas, las kimberlitas son más explosivas que las erupciones que vemos hoy en lugares como Hawai, Islandia, Indonesia y el Monte Santa Elena. La evidencia de granulación de cristales, redondeo de xenolitos y fragmentación (ver recuadro A, figura A-1) lleva a los geólogos a concluir que las erupciones de kimberlita son mucho más violentas y rompen la superficie con las velocidades más altas de cualquier volcán.
Las últimas erupciones conocidas de kimberlita fueron las kimberlitas de Igwisi Hills de alrededor de 10.000 años de antigüedad (Brown et al., 2012) en Tanzania, aunque hay cierto debate sobre si estos constituyen una verdadera kimberlita. Además, estas kimberlitas no tienen diamantes. Las kimberlitas africanas más jóvenes son las kimberlitas Kundelungu de 32 millones de años de edad en la República Democrática del Congo (Batumike et al., 2008). Las erupciones más recientes de diamantes similares a la kimberlita fueron las lamproitas de Kimberley Occidental (recuadro A), que entraron en erupción hace 24 a 19 millones de años (Allsopp et al., 1985). Alrededor del 45% de estas lamproitas tienen diamantes, aunque solo dos han sido extraídos para obtener sus diamantes.
Las kimberlitas han estado en erupción al menos desde la Arquea, y las más antiguas descubiertas hasta ahora son las kimberlitas mitzicas en Gabón (África Occidental), que entraron en erupción hace unos 2,8 mil millones de años (de Wit et al., 2016). Sin embargo, las kimberlitas no han estado en erupción continuamente desde entonces, y a nivel mundial ha habido varios períodos de tiempo en los que las kimberlitas erupcionaron con más frecuencia (Heaman et al., 2003; Jelsma et al., 2009):
| período de Tiempo (millones de años) | 1200-1075 | 600-500 | 400-350 | 250-50 |
| % de las kimberlites (de Tappe, et al. De 2018) | 9.4% | 7.4% | 5% | 62.5% |
¿Cómo y por Qué Kimberlites Forma?
Composición de fusión.La composición de fusión primaria (u original) de la kimberlita es poco conocida porque la roca que vemos hoy en día es una mezcla física tan variable y complicada. La kimberlita contiene magma que se ha mezclado con muchos componentes recogidos a lo largo de la trayectoria >de 150 km hasta la superficie. En la superficie, la kimberlita contiene material de matriz de grano fino y minerales conocidos como fenocristales, minerales extraños conocidos como xenocristales (¡el diamante es el xenocristal que queremos!), y rocas extrañas conocidas como xenolitos. En otras palabras, la kimberlita se considera una roca «híbrida». Los xenolitos en sí mismos son muy interesantes para los geólogos porque son muestras de la roca a través de la cual ha pasado la kimberlita.
El mineral predominante en la kimberlita es el olivino, que podría ser fenocrístico (de la propia kimberlita) o xenocrístico (del manto y roto y muestreado por la erupción). La distinción entre estas dos poblaciones de olivino no siempre está clara. El olivino se transforma fácilmente en un mineral llamado serpentina, y esta alteración también dificulta la estimación de la composición original del magma.
Hay muchas maneras diferentes para tratar de determinar la principal composición del fundido: realizar experimentos a altas presiones y temperaturas, observar las inclusiones de fusión que se encuentran en los minerales de kimberlita y realizar cálculos de balance de masa donde se resta el xenocristo y el material de alteración para llegar al material de kimberlita restante. Todos estos enfoques diferentes ahora parecen sugerir que los magmas de kimberlita se forman como fundidos que son ricos en carbonato en el manto astenosférico (Stone y Luth, 2016; Bussweiler et al., 2016; Stamm y Schmidt, 2017; Soltys et al., 2018; Howarth y Buttner, 2019). El magma de kimberlita se forma después de una baja cantidad de fusión de peridotita (consulte Diamantes de las Profundidades del invierno de 2018 para obtener más información sobre la peridotita), a profundidades de alrededor de 200-300 km, y contiene altas cantidades de dióxido de carbono y agua. La presencia de estos llamados componentes volátiles en el magma de kimberlita es una de las razones por las que se cree que las erupciones de kimberlita son particularmente explosivas.
¿Por Qué Comenzó la Fusión? Ahora sabemos aproximadamente en qué parte de la Tierra se originaron los magmas de kimberlita, pero ¿por qué comenzó realmente el derretimiento? Los «desencadenantes» del derretimiento profundo de la Tierra que preceden a la erupción de kimberlita no son los mismos para todas las kimberlitas, y hay tres escenarios geológicos principales a gran escala que los geólogos suelen considerar:
- penachos del manto que se elevan desde lo profundo del manto e interactúan con la litosfera cratónica
- subducción de la corteza oceánica y los procesos de colisión asociados durante la formación de supercontinentes
- eventos tectonotérmicos asociados con la ruptura de supercontinentes (por ejemplo, Heaman y Kjarsgaard, 2000, Heaman et al., 2004; Jelsma et al., 2009; Kjarsgaard et al., 2017)
En particular, la ruptura de continentes y la ruptura de supercontinentes, con la fractura asociada y la deformación frágil en la litosfera, proporcionan las vías para que los magmas de kimberlita lleguen a la superficie(por ejemplo, Jelsma et al., 2009). Pero detrás de todos estos procesos de generación de magma y la erupción de kimberlita resultante está la relación con el proceso de la tectónica de placas. Sin la tectónica de placas para reciclar carbonato y sustancias volátiles en el manto, no habría kimberlitas.
¿Dónde Se Producen Las Kimberlitas?
Las kimberlitas no entran en erupción en todas las áreas de la Tierra. Globalmente, todas las kimberlitas se encuentran debajo de las partes más antiguas de los continentes, conocidas como cratones (figura 2) (Clifford, 1966; Shirey y Shigley, 2013). Los cratones tienen raíces litosféricas gruesas que se extienden hasta por lo menos 150-200 km, y la generación de kimberlita en el manto está probablemente asociada con la barrera física al afloramiento del manto proporcionada por estas raíces continentales profundas. Independientemente de cómo se formen las kimberlitas, la asociación de estas erupciones con raíces continentales profundas es otro de los maravillosos misterios sobre cómo las kimberlitas entregan diamantes. Estas profundas raíces continentales son el almacén de diamantes de la Tierra.
Investigación en curso
Todavía hay mucho que aprender sobre las kimberlitas y la relación entre los magmas de kimberlita y los diamantes que llevan: ¿Por qué exactamente los diamantes sobreviven en una erupción de kimberlita? ¿Qué características de la superficie de un diamante están relacionadas con los efectos del magma de kimberlita en comparación con las que podrían ser causadas por fluidos en las profundidades del manto donde residen los diamantes (por ejemplo, Fedortchouk, 2019)?
Si bien cada kimberlita es única, se necesitan modelos generales de erupción y emplazamiento (véase el recuadro C) para ayudar a comprender por qué muchas kimberlitas carecen de diamantes, ¿es simplemente porque no entraron en erupción a través de un manto que contiene diamantes? ¿O la falta de diamantes está relacionada de alguna manera con los mecanismos de disolución y/o erupción? Información como esta es importante durante la exploración y evaluación de nuevos yacimientos de diamantes.
Cuadro C: Erupción de kimberlita
Todas las kimberlitas tienen sistemas de alimentación de «plomería magmática» a profundidad que pueden estar compuestos de una forma cilíndrica (tubería), una vertical plana (dique) y / o una horizontal plana (alféizar) a profundidad. Es solo cerca de la superficie que el alto contenido volátil del magma causa un «estallido» eruptivo que resulta en un cráter volcánico; este es el modelo magmático (Sparks et al., 2006). Otro modelo de erupción es el modelo freatomagmático (Lorenz et al., 2003), que propone que es la reacción del magma con el agua superficial la que impulsa la erupción, en lugar de los gases y volátiles en el magma. Se propuso el modelo freatomagmático para la erupción de lamproita de Argilo (Rayner et al., 2018) y algunas fases eruptivas en Fort à la Corne (Kjarsgaard et al., 2009). Las fases eruptivas magmática y freatomagmática se muestran en la figura C-1.
En última instancia, hay razones para preocuparse por las kimberlitas que no se relacionan directamente con su muestreo de diamantes, sino con la vista a gran escala de los ciclos geoquímicos más profundos de la Tierra sólida. El magma de kimberlita es un miembro extremo para pequeñas cantidades de fusión del manto y alto contenido volátil (incluyendo agua y dióxido de carbono). ¿Cómo se forman y migran tales fundiciones a tan altas presiones y temperaturas? ¿Qué revela el alto porcentaje de kimberlitas jóvenes sobre la tectónica de placas y el reciclaje profundo de materiales volátiles? ¿Qué pueden decirnos las kimberlitas sobre la conexión entre la dinámica de la Tierra sólida y nuestro principal gas de efecto invernadero atmosférico, el dióxido de carbono?
Hemos destacado las características geológicas, históricas y prácticas básicas de las kimberlitas. Lo excepcional es que al final, cuando se compra un diamante natural, tenemos que agradecer a una kimberlita por traérnosla.
Karen V. Smit es investigadora científica del GIA en Nueva York. Steven B. Shirey es un científico senior en la Institución Carnegie para la Ciencia en Washington, DC.
Gracias a Yannick Bussweiler y Graham Pearson para llevarnos en la dirección de muchos artículos útiles.
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