relația dintre kimberlit și diamant

înainte de descoperirea kimberlitelor, diamantele erau extrase din surse aluvionare secundare: medii fluviale în care diamantele fuseseră erodate din sursa lor primară. Diamantele istorice din India au fost recuperate predominant de-a lungul râului Krishna în Madhya Pradesh. Astăzi, mineritul secundar de diamante are loc încă în multe zone din Sierra Leone, Brazilia, Angola, Namibia și chiar de-a lungul fundului mării, unde râurile se scurg în oceane.

apariția obișnuită a pieselor de șist în primul kimberlit descoperit i-a încurcat pe geologii timpurii (vezi caseta B). Șistul era o bucată din roca înconjurătoare care fusese preluată de kimberlit în timp ce călătorea prin crustă înainte de Erupție. Deoarece șistul este adesea foarte bogat în carbon, unii geologi au argumentat că diamantele s-ar fi putut forma prin reacția dintre magmă și șist (Lewis, 1887b). La acea vreme, cu aproximativ 30 de ani înainte de descoperirea radioactivității, nu exista nicio modalitate de a determina cu exactitate vârsta absolută a unui diamant (vezi diamantele din adâncime din primăvara anului 2019), kimberlitul sau șistul.

caseta B: descoperirea Kimberliților ca rocă sursă pentru diamante

între 1866 și 1869, primele diamante sud-africane au fost descoperite de-a lungul albiilor râului Vaal și Orange (cunoscute sub numele de diamante „aluvionare”). Aceasta a fost urmată de primele descoperiri de diamante în roca lor sursă primară la Jagersfontein, Koffiefontein și zona Kimberley în 1870. Figura B – 1 arată operațiunile miniere timpurii la Kimberley.

Ernest Cohen a recunoscut pentru prima dată această nouă rocă sursă ca fiind igneous (Janse, 1985), iar Henry Lewis (1887a) a propus să numească roca „kimberlite.”A fost numit după orașul Kimberley, care la rândul său a fost numit după Lordul Kimberley, Secretarul de stat britanic (Field și colab., 2008 și referințe în acesta). Observațiile lui Lewis (1887b), extrase mai jos, oferă o privire interesantă asupra înțelegerii zorilor condițiilor geologice ale apariției diamantelor cu mai mult de 130 de ani în urmă:

în 1870, moment în care aproximativ zece mii de persoane se adunaseră de-a lungul malurilor Vaalului, a venit vestea descoperirii diamantelor la un punct la aproximativ cincisprezece mile distanță de râu, unde se află acum orașul Kimberley. Acestea au fost așa-numitele” săpături uscate”, la început considerate a fi depozite aluvionare, dar acum s-au dovedit a fi țevi vulcanice cu un caracter extrem de interesant. Patru dintre aceste țevi sau gâturi, toate bogate în diamante și cu o structură geologică similară, au fost găsite aproape împreună. S-a dovedit că coboară vertical până la o adâncime necunoscută, penetrând straturile înconjurătoare. Materialul purtător de diamante la început excavat a fost un pământ gălbui care se sfărâmă, care la o adâncime de aproximativ 50 de picioare a devenit mai greu și mai întunecat, dobândind în cele din urmă o culoare albastră sau verde închis și o senzație grasă, asemănătoare anumitor soiuri de serpentină. Acesta este binecunoscutul „teren albastru” al minerilor de diamante.

este expus la soare pentru o perioadă scurtă de timp, când se dezintegrează ușor și apoi este spălat pentru diamantele sale. Acest „pământ albastru” a fost acum pătruns la o adâncime de 600 de picioare și se constată că devine mai greu și mai asemănător stâncii pe măsură ce adâncimea crește.porțiunile purtătoare de diamante conțin adesea atât de multe incluziuni de șist, încât seamănă cu o brecie și, astfel, lava trece prin grade în TUF sau cenușă vulcanică, care este, de asemenea, bogată în diamante și este mai ușor de descompus decât lava mai densă.

pare evident că țevile purtătoare de diamante sunt adevărate gâturi vulcanice, compuse dintr-o lavă foarte de bază asociată cu o brecie vulcanică și cu tuf și că diamantele sunt minerale secundare produse de reacția acestei lave, cu căldură și presiune, pe șisturile carbonice în contact cu și învelite de aceasta.

au fost necesare experimente și analize geochimice pentru a arăta că diamantele nu se formează ca urmare a reacției kimberlitului cu șistul. Dar ar fi nevoie de mai mult de 100 de ani de la descoperirea kimberlitului pentru a dovedi că diamantele nu cristalizează din magma kimberlitului.

primul pas în cunoașterea relației dintre diamante și kimberliți vine din lucrările timpurii despre modul în care diamantul cristalizează. Experimentele din laborator au arătat că transformarea grafitului în diamant a avut loc la presiune și temperatură ridicată adânc în manta, deși acum cunoaștem cele mai multe forme de diamant prin alte reacții (a se vedea diamantele de Iarnă 2018 din adâncime). Ulterior, geologii au obținut constrângeri de presiune și temperatură pentru formarea diamantelor (din rocile gazdă de diamante și incluziunile lor minerale), susținând originea de înaltă presiune pentru diamantele naturale (de exemplu, Bundy și colab., 1961; Mitchell și Crocket, 1971). Dovezile originii lor de înaltă presiune au însemnat că diamantele trebuiau în mod clar să se fi format înainte de orice interacțiune între kimberlit și roci crustale, cum ar fi șistul (din nou, a se vedea caseta B). Cu toate acestea, se credea încă că diamantele ar putea cristaliza din magma kimberlită la adâncimea mantalei înainte ca erupția să aibă loc la suprafața Pământului sau că diamantele au crescut în condiții metastabile în timpul ascensiunii kimberlite (Mitchell și Crocket, 1971).

în anii 1970, oamenii de știință au folosit datarea izotopică a mineralelor kimberlitice pentru a determina primele vârste ale erupțiilor kimberlite. Folosind geocronologia RB-Sr a micelor kimberlitice, geologii de la Universitatea din Witwatersrand au stabilit că kimberliții din zona Kimberley au erupt în urmă cu aproximativ 86 de milioane de ani (Allsopp și Barrett, 1975). Cam în același timp, geocronologia U-Pb pe zirconii kimberlitici ai acelorași kimberliți a arătat rezultate similare, că au erupt în urmă cu aproximativ 90 de milioane de ani (Davis și colab., 1976). Lucrările analitice ulterioare au rafinat aceste vârste (de exemplu, Allsopp și Kramers, 1977; Davis, 1977, 1978; Clement și colab., 1979; Kramers și Smith, 1983; Smith, 1983). Acum știm că majoritatea kimberliților Pământului au erupt relativ recent (geologic vorbind) între 250 și 50 de milioane de ani în urmă (vezi compilații în Heaman și colab., 2003; Jelsma și colab., 2009; Tappe și colab., 2018).

în anii 1980, Stephen H. Richardson și colegii de la MIT, care lucrau la diamante din minele Kimberley, au descoperit că diamantele au o vârstă cuprinsă între un miliard de ani și mai mult de trei miliarde de ani și că își au originea în regiunea mantalei litosferice de sub kaapvaal craton (Richardson și colab., 1984). De când Kimberley kimberlites a erupt acum doar 84 de milioane de ani (Clement și colab., 1979), Richardson și colab. studiul a arătat definitiv că diamantele nu aveau nicio relație genetică cu kimberlitul. Această relație de vârstă de bază este valabilă pentru toți ceilalți kimberliți diamondiferi. Erupțiile Kimberlite, deci, sunt doar modul în care diamantele își fac drumul de la adâncimea mantalei până la suprafața Pământului. Diamantele sunt pur și simplu pasagerul, iar kimberliții sunt transportul lor.

De ce supraviețuiesc diamantele în kimberlite în timpul erupției?

o altă caracteristică minunată a modului în care kimberliții transportă diamantele de la mare adâncime este că diamantele reușesc să supraviețuiască. Diamantele brute sunt adesea resorbite din formele lor octaedrice primare în forme secundare numite dodecaedre. Acest lucru se datorează faptului că kimberliții sunt în proces de dizolvare a diamantului—doar că acest proces nu a fost finalizat. Aproape toate celelalte magme de pe pământ, cum ar fi bazaltele și andezitele, ar dizolva complet diamantul, deci este un dar al naturii că kimberliții permit diamantelor să supraviețuiască.

transportul și livrarea cu succes a diamantelor are loc și pentru că kimberlitele erup mai repede și sunt mai puțin oxidante decât alte magme de pe Pământ. Diamantele pot fi, de asemenea, protejate în bucăți de roci gazdă în timpul transportului lor. Viteza este esențială aici: se estimează că un kimberlit cu vâscozitate scăzută se deplasează la viteze de aproximativ 8 până la 40 de mile pe oră (Sparks și colab., 2006), în timp ce o magmă bazaltică cu vâscozitate normală se mișcă într-o fracțiune din acest ritm. Compoziția chimică a kimberlitului și a componentelor sale volatile sunt, de asemenea, considerate a fi factori importanți.

erupțiile Kimberlite din istoria Pământului

din observațiile făcute pe teren la locul kimberliților amplasați, kimberliții sunt mai explozivi decât erupțiile pe care le vedem astăzi în locuri precum Hawaii, Islanda, Indonezia și Muntele St.Helens. Dovezile pentru granularea cristalelor, rotunjirea xenolitului și fragmentarea (vezi caseta a, figura a-1) îi determină pe geologi să concluzioneze că erupțiile kimberlite sunt mult mai violente și încalcă suprafața cu cele mai mari viteze ale oricărui vulcan.ultimele erupții kimberlite cunoscute au fost Kimberliții Igwisi Hills, vechi de aproximativ 10.000 de ani (Brown și colab., 2012) în Tanzania, deși există unele dezbateri cu privire la faptul dacă acestea constituie adevărate kimberlite. Mai mult, acești kimberliți nu poartă diamante. Următorii cei mai tineri Kimberliți africani sunt kundelungu kimberliți în vârstă de 32 de milioane de ani din Republica Democrată Congo (Batumike și colab., 2008). Cele mai recente erupții asemănătoare cu kimberlite purtătoare de diamante au fost West Kimberley lamproites (caseta A), care a erupt acum 24-19 milioane de ani (Allsopp și colab., 1985). Aproximativ 45% dintre acești lamproiți sunt purtători de diamante, deși doar doi au fost exploatați pentru diamantele lor.

Kimberliții au erupt cel puțin de la Archean, iar cele mai vechi descoperite până acum sunt Kimberliții Mitzici din Gabon (Africa de Vest), care au erupt în urmă cu aproximativ 2,8 miliarde de ani (de Wit și colab., 2016). Cu toate acestea, kimberliții nu au erupt continuu de atunci și, la nivel global, au existat mai multe perioade de timp în care kimberliții au erupt mai frecvent (Heaman și colab., 2003; Jelsma și colab., 2009):

cum și de ce se formează Kimberliții?

compoziție topită.Compoziția primară (sau originală) topită a kimberlitului este puțin cunoscută, deoarece roca pe care o vedem astăzi este un amestec fizic atât de variabil și complicat. Kimberlitul conține magmă care a fost amestecată cu multe componente preluate de-a lungul >150 km până la suprafață. La suprafață, kimberlitul conține material matricial cu granulație fină și minerale cunoscute sub numele de fenocriste, minerale străine cunoscute sub numele de xenocriste (diamantul fiind xenocristul pe care ni-l dorim!), și roci străine cunoscute sub numele de xenoliti. Cu alte cuvinte, kimberlitul este considerat o rocă „hibridă”. Xenolitele în sine sunt foarte interesante pentru geologi, deoarece sunt mostre ale stâncii prin care a trecut kimberlitul.

mineralul predominant din kimberlit este olivina, care ar putea fi fie fenocristică (din kimberlit în sine), fie xenocristică (din manta și ruptă și eșantionată de Erupție). A face distincția între aceste două populații de olivină nu este întotdeauna clară. Olivina este ușor modificată într-un mineral numit serpentină, iar această modificare face dificilă estimarea compoziției originale de magmă.

există mai multe moduri diferite de a încerca să determine compoziția topitură primară: efectuarea de experimente la presiuni și temperaturi ridicate, analizarea incluziunilor topite găsite în mineralele kimberlite și efectuarea calculelor de echilibru al masei în care xenocristul și materialul de alterare sunt scăzute pentru a ajunge la Materialul kimberlit rămas. Toate aceste abordări diferite par să sugereze acum că magmele kimberlite se formează ca topituri bogate în carbonat în mantaua astenosferică (Stone and Luth, 2016; Bussweiler și colab., 2016; Stamm și Schmidt, 2017; Soltys și colab., 2018; Howarth și Buttner, 2019). Magma Kimberlite se formează după cantități mici de topire a peridotitei (vezi diamantele de Iarnă 2018 din adâncime pentru mai multe informații despre peridotită), la adâncimi de aproximativ 200-300 km și conține cantități mari de dioxid de carbon și apă. Prezența acestor așa-numite componente volatile în magma kimberlite este unul dintre motivele pentru care erupțiile kimberlite sunt considerate a fi deosebit de explozive.

de ce a început topirea? Acum știm aproximativ de unde provine magmele kimberlite de pe Pământ, dar de ce a început de fapt topirea? „Declanșatoarele” topirii profunde a Pământului care preced erupția kimberlitului nu sunt aceleași pentru toți kimberliții și există trei scenarii geologice principale pe scară largă pe care geologii le consideră de obicei:

1. pene de manta care se ridică din adâncul mantalei și interacționează cu litosfera cratonică
2. subducția crustei oceanice și procesele colizionale asociate în timpul formării supercontinentului
3. evenimente tectonotermale asociate cu kjarsgaard, 2000, heaman și colab., 2004; Jelsma și colab., 2009; Kjarsgaard și colab., 2017)

în special, riftarea continentelor și despărțirea supercontinentului—cu fracturarea asociată și deformarea fragilă în litosferă—oferă căile pentru ca magmele kimberlite să ajungă la suprafață (de exemplu, Jelsma și colab., 2009). Dar la baza tuturor acestor procese de generare a magmei și a erupției kimberlite rezultate este relația cu procesul de tectonică a plăcilor. Fără tectonica plăcilor care să recicleze carbonatul și volatilele în manta, nu ar exista kimberliți.

unde apar Kimberliții?

Kimberliții nu erup în toate zonele Pământului. La nivel global, kimberliții apar sub cele mai vechi părți ale continentelor, cunoscute sub numele de cratoni (figura 2) (Clifford, 1966; Shirey și Shigley, 2013). Cratonii au rădăcini litosferice groase care se extind până la cel puțin 150-200 km, iar generarea de kimberlit în manta este probabil asociată cu bariera fizică a creșterii mantalei oferită de aceste rădăcini continentale adânci. Indiferent de modul în care se formează kimberliții, asocierea acestor erupții cu rădăcini continentale adânci este un alt mister minunat despre modul în care kimberliții livrează diamante. Aceste rădăcini continentale adânci sunt depozitul de diamante al Pământului.

cercetare în curs de desfășurare

Mai sunt multe de învățat despre kimberliți și relația dintre magmele kimberlite și diamantele pe care le poartă: de ce anume supraviețuiește diamantul într-o erupție kimberlită? Ce caracteristici de suprafață ale unui diamant sunt legate de efectele magmei kimberlite față de cele care ar putea fi cauzate de fluide adânci în mantaua în care locuiesc diamantele (de exemplu, Fedortchouk, 2019)?

în timp ce fiecare kimberlit este unic, modelele generale de erupție și amplasare (a se vedea caseta C) sunt necesare pentru a înțelege de ce mulți kimberliți sunt lipsiți de diamante—este aceasta pur și simplu pentru că nu au erupt prin mantaua purtătoare de diamante? Sau lipsa diamantelor este cumva legată de mecanismele de dizolvare și/sau erupție? Informații precum acest lucru sunt importante în timpul explorării și evaluării noilor apariții ale diamantelor.

caseta C: erupția Kimberlitului

Kimberliții au toate sisteme de alimentare „instalații sanitare magmatice” la adâncime care pot fi compuse dintr-o țeavă cilindrică, o verticală plană (dig) și / sau o formă orizontală plană (prag) la adâncime. Doar aproape de suprafață conținutul ridicat de volatilitate al magmei provoacă o „explozie” eruptivă care are ca rezultat un crater vulcanic; acesta este modelul magmatic (Sparks și colab., 2006). Un alt model de erupție este modelul freatomagmatic (Lorenz și colab., 2003), care propune că reacția magmei cu apa de suprafață este cea care conduce erupția, mai degrabă decât gazele și volatilele din magmă. Modelul freatomagmatic a fost propus pentru erupția Argyle lamproite (Rayner și colab., 2018) și câteva faze eruptive la Fortul XV la Corne (Kjarsgaard și colab., 2009). Atât fazele eruptive magmatice, cât și cele freatomagmatice sunt prezentate în figura C-1.

în cele din urmă, există motive să le pese de kimberliți care nu se referă direct la eșantionarea lor de diamante, ci mai degrabă la vederea pe scară largă a celor mai profunde cicluri geochimice ale pământului solid. Magma Kimberlite este un membru final extrem pentru cantități mici de topire a mantalei și conținut ridicat de volatile (inclusiv apă și dioxid de carbon). Cum se formează astfel de topituri și migrează la presiuni și temperaturi atât de ridicate? Ce dezvăluie procentul ridicat de tineri kimberliți despre tectonica plăcilor și reciclarea profundă a substanțelor volatile? Ce ne pot spune kimberliții despre legătura dintre dinamica pământului solid și principalul nostru gaz cu efect de seră atmosferic, dioxidul de carbon?

am evidențiat caracteristicile geologice, istorice și practice de bază ale kimberliților. Ceea ce este excepțional este că, în cele din urmă, atunci când un diamant natural este achiziționat, avem un kimberlit să-i mulțumim pentru că ni l-a adus.