diamenty są najbardziej niesamowite klejnotów. Równie niesamowite jest jednak to, jak naturalne diamenty docierają do powierzchni Ziemi. Diamenty powstają na głębokości od 150 do 700 km W Ziemi, a następnie są przenoszone w górę w rzadkiej erupcji wulkanicznej magmy kimberlitowej. Człowiek nigdy nie był świadkiem takiego wydarzenia, a erupcja tej magmy jest uważana za najszybszy i najbardziej gwałtowny rodzaj erupcji wulkanicznej na Ziemi. Na szczęście, ponieważ diament jest najtwardszym minerałem, zwykle może przetrwać tak trudne obchodzenie się z nim. Ten system dostarczania w postaci transportu wulkanicznego tylko dodaje mistyki i wartości Naturalnego Diamentu.

istnieją dwa główne typy magmy, które przenoszą naturalne diamenty na powierzchnię. Magmy te krystalizują po ochłodzeniu w skały wulkaniczne znane jako kimberlit i lamproit (patrz ramka A). Kimberlite jest zdecydowanie dominującym typem erupcji, aby doprowadzić diamenty do powierzchni Ziemi (rysunek 1). Chociaż diament jest tylko przypadkowym pasażerem i w rzeczywistości nie został stworzony przez kimberlite, podstawowe zrozumienie kimberlites pomaga nam zrozumieć otoczenie dla większości naturalnych form diamentu w płaszczu.

Ramka A: nazwy skał

skały, podobnie jak minerały, mają własne nazwy nadane przez międzynarodową społeczność geologów, gdy są rozpoznawane za to, czym są. W przypadku skał nazwy te opierają się na składzie chemicznym, fakturze (rys. A-1), barwie, zawartości minerałów i sposobie ich formowania. Po zdefiniowaniu i zaakceptowaniu nazwy skały, takiej jak kimberlite, staje się ona skrótem od wszystkich jej cech—w tym tych, które są obserwowane przez geologa polowego na wychodniach i tych, które odnoszą się do jej rzeczywistego pochodzenia głęboko w ziemi przez procesy tektoniczne płyt. Nazwy skał są użyteczne, ponieważ ucieleśniają wszystkie te ważne idee.

Kimberlite to nazwa nadana ekstruzyjnej skale magmowej ubogiej w krzemionkę i bogatą w magnez (np. skała wulkaniczna), która zawiera duże ilości oliwinu, często serpentynizowanego. Jest to wysoce zmienna mieszanina stopu, minerałów krystalizujących ze stopu oraz obcych kryształów i kawałków skał. Kimberlite może występować w polu jako wały lub rury, które krystalizują w pobliżu, ale pod powierzchnią (hipabyssal kimberlite) lub jako magmy, które wybuchają wulkanizacyjnie (volcaniclastic kimberlite).

Lamproit to nazwa skały nadana skrystalizowanej wytłaczanej skale magmowej, która jest bogata w potas i magnez i brakuje wspólnego skalenia mineralnego skorupy. Podczas gdy lamproity są znacznie bardziej powszechne niż kimberlity, te, które noszą diamenty, są znacznie rzadsze niż kimberlity. W rzeczywistości znamy tylko około czterech lub pięciu diamentowych lamproitów na Ziemi.

związek między Kimberlitem a diamentem

przed odkryciem kimberlitów, diamenty były wydobywane z wtórnych źródeł aluwialnych: środowiska rzeczne, w których diamenty zostały Erodowane z ich pierwotnego źródła. Historyczne diamenty z Indii wydobywano głównie wzdłuż rzeki Krishna w stanie Madhya Pradesh. Dziś wtórne wydobycie diamentów nadal występuje w wielu obszarach Sierra Leone, Brazylii, Angoli, Namibii, a nawet wzdłuż dna morskiego, gdzie rzeki spływają do oceanów.

powszechne występowanie łupków w pierwszym odkrytym kimberlicie zdezorientowało wczesnych geologów (patrz ramka B). Łupek był kawałkiem otaczającej skały, który został podniesiony przez kimberlite podczas podróży przez skorupę przed erupcją. Ponieważ łupek jest często bardzo bogaty w węgiel, niektórzy geolodzy uzasadnili, że diamenty mogły powstać w wyniku reakcji między magmą a łupkiem (Lewis, 1887b). W tym czasie, około 30 lat przed odkryciem radioaktywności, nie było sposobu na dokładne określenie absolutnego wieku diamentu (patrz diamenty z głębin wiosną 2019), kimberlitu lub łupków.

Ramka B: odkrycie Kimberlitów jako skały źródłowej dla diamentów

w latach 1866-1869 odkryto pierwsze południowoafrykańskie diamenty wzdłuż koryta rzeki Vaal i Orange (znane jako diamenty „aluwialne”). Następnie w 1870 roku w Jagersfontein, Koffiefontein i okolicach Kimberley odkryto pierwsze diamenty w ich pierwotnych skałach źródłowych. Rysunek B-1 przedstawia wczesne operacje wydobywcze w Kimberley.

Ernest Cohen po raz pierwszy rozpoznał ten nowy Rock źródłowy jako magmowy (Janse, 1985), a Henry Lewis (1887a) zaproponował nazwanie skały „kimberlite.”Został nazwany na cześć miasta Kimberley, które z kolei zostało nazwane na cześć Lorda Kimberley, brytyjskiego Sekretarza Stanu (field et al., 2008, i referencje). Obserwacje Lewisa (1887b), wydobyte poniżej, dostarczają ciekawego spojrzenia na świtanie zrozumienia geologicznych warunków występowania diamentów ponad 130 lat temu:

w 1870 roku, kiedy to około dziesięć tysięcy osób zgromadziło się nad brzegiem Vaal, nadeszła wiadomość o odkryciu diamentów w punkcie około piętnaście mil od rzeki, gdzie obecnie stoi miasto Kimberley. Były to tzw. „suche wykopaliska”, początkowo uważane za złoża aluwialne, obecnie okazały się to rury wulkaniczne o bardzo ciekawym charakterze. Cztery z tych rur lub szyj, wszystkie bogate w diamenty i o podobnej budowie geologicznej, znaleziono blisko siebie. Udowodniono, że schodzą pionowo na nieznaną głębokość, penetrując otaczające je warstwy. Materiał diamentowy początkowo wydobyty był kruszenia żółtawej ziemi, która na głębokości około 50 stóp stał się twardszy i ciemniejszy, wreszcie nabiera slaty niebieski lub ciemnozielony kolor i tłuste czuć, przypominające niektóre odmiany serpentyny. Jest to dobrze znany „niebieski Grunt” górników diamentów.

jest wystawiona na działanie słońca przez krótki czas, kiedy łatwo się rozpada, a następnie jest myta dla swoich diamentów. Ta „Niebieska Ziemia” została teraz spenetrowana na głębokość 600 stóp i okazało się, że wraz ze wzrostem głębokości staje się twardsza i bardziej skalista.

części diamentowe często zawierają tak wiele inkluzji łupków, że przypominają breccia, A zatem Lawa przechodzi stopniowo w TUF lub popiół wulkaniczny, który jest również bogaty w diamenty i jest łatwiej rozkładalny niż gęstsza Lawa.

wydaje się oczywiste, że diamentowe rury są prawdziwymi wulkanicznymi szyjami, złożonymi z bardzo podstawowej lawy związanej z wulkaniczną breccią i tufem, i że diamenty są minerałami wtórnymi wytwarzanymi w reakcji tej lawy, z ciepłem i ciśnieniem, na łupki węglowe w kontakcie z nią i otoczone przez nią.

eksperymenty i analizy geochemiczne wykazały, że diamenty nie powstają w wyniku reakcji kimberlitu z łupkami. Ale po ponad 100 latach od odkrycia kimberlitu udowodnienie, że diamenty nie krystalizują się z magmy kimberlitu, zajęłoby ponad 100 lat.

pierwszy krok w naszej wiedzy na temat relacji między diamentami i kimberlitami pochodzi z wczesnych prac nad tym, jak diament krystalizuje. Eksperymenty w laboratorium wykazały, że transformacja grafitu w diament nastąpiła pod wysokim ciśnieniem i temperaturą głęboko w płaszczu, chociaż obecnie znamy większość form diamentu z innych reakcji (patrz diamenty z głębi zimy 2018). Następnie geolodzy uzyskali ograniczenia ciśnienia i temperatury dla tworzenia diamentów (ze skał Diamentowych i ich wtrąceń mineralnych), wzmacniając pochodzenie wysokociśnieniowe dla naturalnych diamentów (np., 1961; Mitchell and Crocket, 1971). Dowody na ich pochodzenie pod wysokim ciśnieniem oznaczały, że diamenty musiały powstać przed interakcją między kimberlitem a skałami skorupowymi, takimi jak łupki (patrz ramka B). Jednak nadal uważano, że diamenty mogą krystalizować z magmy kimberlite na głębokości w płaszczu przed erupcją na powierzchnię ziemi, lub że diamenty rosły w Warunkach metastabilnych podczas wzniesienia kimberlite (Mitchell and Crocket, 1971).

w latach 70.XX wieku naukowcy wykorzystali datowanie izotopowe minerałów kimberlitycznych do określenia pierwszych epok erupcji kimberlitu. Korzystając z geochronologii RB-Sr Mikasa kimberlitowego, geolodzy z Uniwersytetu Witwatersrand ustalili, że kimberlity z obszaru Kimberley wybuchły około 86 milionów lat temu (Allsopp i Barrett, 1975). Mniej więcej w tym samym czasie geochronologia U-Pb na cyrkonach kimberlitycznych tych samych kimberlitów wykazała podobne wyniki, że wybuchły one około 90 milionów lat temu(Davis et al., 1976). Późniejsze prace analityczne udoskonalały te epoki (np. Allsopp i Kramers, 1977; Davis, 1977, 1978; Clement et al., 1979; Kramers and Smith, 1983; Smith, 1983). Obecnie wiemy, że większość ziemskich kimberlitów wybuchła stosunkowo niedawno (geologicznie rzecz biorąc) między 250 a 50 milionami lat temu (patrz Kompilacje w Heaman et al., 2003; Jelsma et al., 2009; Tappe et al., 2018).

w latach 80.Stephen H. Richardson i jego współpracownicy z MIT, pracujący nad diamentami z kopalni Kimberley, odkryli, że diamenty mają wiek od miliarda lat do ponad trzech miliardów lat i że pochodzą z regionu płaszcza litosferycznego poniżej Kratonu Kaapvaal (Richardson et al., 1984). Ponieważ Kimberley kimberlites wybuchły zaledwie 84 miliony lat temu(Clement et al., 1979), Richardson et al. badania wykazały ostatecznie, że diamenty nie miały genetycznego związku z kimberlitem. Ten podstawowy związek wiekowy obowiązuje dla wszystkich innych diamentowych kimberlitów. Erupcje Kimberlite są więc po prostu sposobem, w jaki diamenty przedostają się z głębokości płaszcza na powierzchnię ziemi. Diamenty są po prostu pasażerem, a kimberlity są ich transportem.

dlaczego diamenty przetrwały w Kimberlite podczas erupcji?

kolejną wspaniałą cechą sposobu, w jaki kimberlity transportują diamenty z dużej głębokości, jest to, że diamenty udaje im się przetrwać. Szorstkie diamenty są często resorbowane z ich pierwotnych kształtów ośmiościan do wtórnych kształtów zwanych dodekahedronami. Dzieje się tak dlatego, że kimberlity są w trakcie rozpuszczania diamentu—po prostu proces ten nie został zakończony. Prawie wszystkie inne magmy na Ziemi, takie jak bazalty i andezyty, całkowicie rozpuszczają diament, więc darem natury jest to, że kimberlity pozwalają diamentom przetrwać.

udany transport i dostawa diamentów ma również miejsce, ponieważ kimberlity wybuchają szybciej i są mniej utleniające niż inne magmy na Ziemi. Diamenty mogą być również ekranowane w kawałkach skał żywiciela podczas znacznej części ich transportu. Prędkość ma tu kluczowe znaczenie: szacuje się, że kimberlite o niskiej lepkości porusza się z prędkością około 8 do 40 mil na godzinę (Sparks et al., 2006), podczas gdy Magma bazaltowa o lepkości normalnej porusza się w ułamku tego tempa. Za ważne czynniki uważa się również skład chemiczny kimberlitu i jego lotnych składników.

erupcje Kimberlite w historii Ziemi

z obserwacji terenowych dokonanych w miejscu umieszczonych kimberlitów, kimberlity są bardziej wybuchowe niż erupcje, które widzimy dzisiaj w miejscach takich jak Hawaje, Islandia, Indonezja i Góra św. Heleny. Dowody na granulację kryształów, zaokrąglenie ksenolitu i fragmentację (patrz ramka a, rysunek A-1) prowadzą geologów do wniosku, że erupcje kimberlite są znacznie bardziej gwałtowne i naruszają powierzchnię z najwyższymi prędkościami dowolnego wulkanu.

ostatnie znane erupcje kimberlitowe to około 10 000-letnie kimberlitowe wzgórza Igwisi (Brown et al., 2012) w Tanzanii, choć toczy się pewna debata na temat tego, czy stanowią one prawdziwą kimberlitę. Co więcej, te kimberlity nie są diamentowe. Następne najmłodsze Kimberlity afrykańskie to 32-milionowe kimberlity kundelungu w Demokratycznej Republice Konga (Batumike et al., 2008). Najnowsze diamentowe erupcje podobne do kimberlite to West Kimberley lamproites (pole a), które wybuchły od 24 do 19 milionów lat temu(Allsopp et al., 1985). Około 45% tych lamproitów jest diamentowych, chociaż tylko dwa zostały wydobyte dla ich diamentów.

kimberlity wybuchają od co najmniej Archean, a najstarszymi odkrytymi do tej pory są Mitzic kimberlites w Gabonie (Afryka Zachodnia), który wybuchł około 2,8 miliarda lat temu (de Wit et al., 2016). Jednak kimberlites nie były stale erupcji od tego czasu, a na całym świecie było kilka okresów, kiedy kimberlites erupcji częściej (Heaman et al., 2003; Jelsma et al., 2009):

jak i dlaczego tworzą się Kimberlity?

kompozycja Melt.Pierwotny (lub oryginalny) skład stopu kimberlitu jest słabo znany, ponieważ skała, którą widzimy dzisiaj, jest tak zmienną, skomplikowaną mieszanką fizyczną. Kimberlite zawiera magmę, która została zmieszana z wieloma składnikami wychwytywanymi wzdłuż>150 km drogi do powierzchni. Na powierzchni kimberlite zawiera drobnoziarnisty materiał matrycowy i minerały znane jako fenokrysty, obce minerały znane jako ksenokrysty (diament to ksenokryst, którego chcemy!), oraz obcych skał zwanych ksenolitami. Innymi słowy, kimberlite jest uważany za” hybrydową ” skałę. Same ksenolity są bardzo interesujące dla geologów, ponieważ są próbkami skały, przez którą przeszedł kimberlit.

dominującym minerałem w kimberlicie jest oliwin, który może być fenokrysticzny (z samego kimberlitu) lub ksenokrysticzny (z płaszcza i zerwany i pobrany przez erupcję). Rozróżnienie pomiędzy tymi dwoma populacjami oliwinu nie zawsze jest jasne. Oliwin łatwo przekształca się w minerał zwany serpentyną, a ta zmiana utrudnia również oszacowanie pierwotnego składu magmy.

istnieje wiele różnych sposobów, aby spróbować określić podstawowy skład stopu: przeprowadzanie eksperymentów w wysokich ciśnieniach i temperaturach, badanie inkluzji stopu występujących w minerałach kimberlitowych oraz wykonywanie obliczeń bilansu masy, w których odejmuje się materiał ksenokrystaliczny i modyfikacyjny, aby dotrzeć do pozostałego materiału kimberlitowego. Wszystkie te różne podejścia wydają się teraz sugerować, że magmy kimberlite tworzą się jako topniki bogate w węglan w płaszczu astenosferycznym(Stone and Luth, 2016; Bussweiler et al., 2016; Stamm and Schmidt, 2017; Soltys et al., 2018; Howarth i Buttner, 2019). Kimberlite Magma tworzy się po niskich ilościach topnienia perydotytu (patrz Zima 2018 diamenty z głębin, aby uzyskać więcej informacji na temat perydotytu), na głębokościach około 200-300 km i zawiera duże ilości dwutlenku węgla i wody. Obecność tych tak zwanych lotnych składników w magmie kimberlite jest jednym z powodów, dla których erupcje kimberlite są uważane za szczególnie wybuchowe.

Dlaczego zaczęło się topienie? Wiemy już z grubsza, skąd się wzięły magmy kimberlitowe na Ziemi, ale dlaczego tak naprawdę zaczęło się topienie? „Wyzwalacze” głębokiego topnienia ziemi, które poprzedzają erupcję kimberlitu, nie są takie same dla wszystkich kimberlitów i istnieją trzy główne scenariusze geologiczne na dużą skalę, które geolodzy zazwyczaj rozważają:

1. pióropusze płaszcza wznoszące się z głębi płaszcza i oddziałujące z litosferą kratoniczną
2. subdukcja skorupy oceanicznej i związane z nią procesy kolizyjne podczas tworzenia superkontynentu
3. zdarzenia tektonotermalne związane z rozpadem superkontynentu (np., heaman and kjarsgaard, 2000, heaman et al., 2004; Jelsma et al., 2009; Kjarsgaard et al., 2017)

w szczególności, szczeliny kontynentów i rozpad superkontynentu—z towarzyszącym szczelinowaniu i kruchej deformacji w litosferze—zapewniają drogi dla magm kimberlite dotrzeć do powierzchni (np Jelsma et al., 2009). Ale u podstaw wszystkich tych procesów wytwarzania magmy i wynikającej z tego erupcji kimberlite jest związek z procesem tektoniki płyt. Bez tektoniki płyt do recyklingu węglanów i substancji lotnych w płaszczu, nie byłoby kimberlitów.

gdzie występują Kimberlity?

Kimberlity nie wybuchają we wszystkich rejonach Ziemi. Globalnie, wszystkie kimberlity występują poniżej najstarszych części kontynentów, znanych jako kratony (rysunek 2) (Clifford, 1966; Shirey and Shigley, 2013). Kratony mają grube korzenie litosferyczne, które rozciągają się do co najmniej 150-200 km, a wytwarzanie kimberlitu w płaszczu jest prawdopodobnie związane z fizyczną barierą dla upwellingu płaszcza zapewnianą przez te głębokie korzenie kontynentalne. Niezależnie od tego, jak tworzą się kimberlity, skojarzenie tych erupcji z głębokimi kontynentalnymi korzeniami jest kolejną ze wspaniałych tajemnic o tym, jak kimberlity dostarczają diamentów. Te głębokie kontynentalne korzenie są magazynem diamentów Ziemi.

trwające badania

jest jeszcze wiele do nauczenia się o kimberlitach i związku między magmami kimberlitowymi a diamentami, które niosą: dlaczego dokładnie diament przetrwał w erupcji kimberlitu? Jakie cechy powierzchni diamentu są związane z działaniem magmy kimberlite w porównaniu z tymi, które mogą być spowodowane przez płyny głęboko w płaszczu, w którym znajdują się diamenty(np.

podczas gdy każdy kimberlite jest wyjątkowy, potrzebne są ogólne modele erupcji i umieszczania (patrz ramka C), aby pomóc zrozumieć, dlaczego wiele kimberlitów jest pozbawionych diamentów—czy jest tak po prostu dlatego, że nie wybuchły przez płaszcz diamentowy? A może brak diamentów jest w jakiś sposób związany z mechanizmami rozpuszczania i/lub erupcji? Informacje takie jak ta są ważne podczas eksploracji i oceny nowych zdarzeń diamentowych.

pole C: erupcja Kimberlitu

wszystkie Kimberlity mają podajnik „magmatic Hydraulic” Systemy na głębokości, które mogą składać się z cylindrycznego (rura), płaskiego pionowego (Grobla) i / lub płaskiego poziomego (parapet) kształtu na głębokości. Jest to tylko blisko powierzchni, że wysoka lotna zawartość magmy powoduje wybuch „blowout”, który powoduje krater wulkaniczny; jest to model magmowy (Sparks et al., 2006). Innym modelem erupcji jest model freatomagmatic (Lorenz et al., 2003), który proponuje, że to reakcja magmy z wodą powierzchniową napędza erupcję, a nie gazy i substancje lotne w magmie. Model phreatomagmatic został zaproponowany dla erupcji Lamproitu Argyle(Rayner et al., 2018) i niektóre fazy erupcji w Fort à la Corne (Kjarsgaard et al., 2009). Zarówno fazy erupcji magmowej, jak i freatomagmatycznej pokazano na rysunku C-1.

ostatecznie istnieją powody, aby troszczyć się o kimberlity, które nie odnoszą się bezpośrednio do pobierania próbek diamentów, ale raczej do wielkoskalowego widoku najgłębszych cykli geochemicznych stałej Ziemi. Magma Kimberlite jest ekstremalnym członkiem końcowym dla małych ilości topnienia płaszcza i wysokiej zawartości lotnych (w tym wody i dwutlenku węgla). Jak powstają takie topnienia i migrują przy tak wysokich ciśnieniach i temperaturach? Co wysoki procent młodych kimberlitów ujawnia na temat tektoniki płyt i głębokiego recyklingu substancji lotnych? Co kimberlity mogą nam powiedzieć o związku między dynamiką stałej ziemi a naszym głównym atmosferycznym gazem cieplarnianym, dwutlenkiem węgla?

podkreśliliśmy podstawowe cechy geologiczne, historyczne i praktyczne kimberlitów. Wyjątkowość polega na tym, że w końcu, kiedy kupuje się naturalny diament, mamy kimberlite, dzięki któremu możemy go do nas przywieźć.