diamanter är den mest fantastiska av pärlor. Lika fantastiskt är dock hur naturliga diamanter når jordens yta. Diamanter bildas 150 till 700 km djupt i jorden och transporteras sedan uppåt i ett sällsynt vulkanutbrott av en kimberlitmagma. Människan har aldrig bevittnat en sådan händelse, och utbrottet av denna magma anses vara den snabbaste och mest våldsamma typen av vulkanutbrott på jorden. Lyckligtvis, eftersom diamant är det hårdaste mineralet, kan det vanligtvis överleva sådan grov hantering. Detta leveranssystem i form av vulkanisk transport bidrar bara till mystiken och värdet av naturlig diamant.

det finns två huvudsakliga magma typer som bär naturliga diamanter till ytan. Dessa magmas kristalliserar vid kylning till vulkaniska bergarter som kallas kimberlit och lamproit (se ruta a). Kimberlite är den överlägset dominerande typen av utbrott för att få diamanter till jordens yta (figur 1). Även diamant är bara en oavsiktlig passagerare och faktiskt inte skapats av kimberlite, en grundläggande förståelse för kimberlites hjälper oss att förstå inställningen för de flesta naturliga diamantbildning i manteln.

Box a: Rocknamn

stenar, som mineraler, har sina egna namn som ges av det internationella samfundet av geologer när de är erkända för vad de är. När det gäller stenar är dessa namn baserade på kemisk sammansättning, struktur (figur a-1), färg, mineralinnehåll och hur de bildas. När ett stennamn som kimberlite har definierats och accepterats, blir det stenografi för alla dess funktioner—inklusive de som kan observeras av fältgeologen i outcrop och de som relaterar till dess faktiska ursprung djupt inom jorden genom plattektoniska processer. Rocknamn är användbara eftersom de förkroppsligar alla dessa viktiga ideer.

Kimberlite är namnet på en kiseldioxidfattig och magnesiumrik extrusiv magmatisk sten (t.ex. en vulkanisk sten) som innehåller stora mängder olivin, ofta serpentiniserad. Det är en mycket varierande blandning av smälta, mineraler kristalliserar från smältan, och främmande kristaller och bergstycken. Kimberlite kan förekomma i fältet som vallar eller rör som kristalliserar nära men under ytan (hypabyssal kimberlite) eller som magmas som bryter ut vulkaniskt (volcaniclastic kimberlite).

Lamproite är bergnamnet som ges till en kristalliserad extrusiv magmatisk sten som är rik på kalium och magnesium och saknar det vanliga jordskorpans mineralfält. Medan lamproites är mycket vanligare än kimberliter, är de som bär diamanter mycket sällsynta än kimberliter. Faktum är att vi bara känner till cirka fyra eller fem diamondiferous lamproites på jorden.

förhållandet mellan kimberlit och diamant

före upptäckten av kimberliter bryts alla diamanter från sekundära alluviala källor: flodmiljöer där diamanter hade eroderats från sin primära källa. Historiska diamanter från Indien återhämtades huvudsakligen längs Krishna River i Madhya Pradesh. Idag förekommer sekundär diamantbrytning fortfarande i många områden i Sierra Leone, Brasilien, Angola, Namibia och även längs havsbotten där floder rinner ut i haven.

den vanliga förekomsten av skifferbitar i den första upptäckta kimberliten förvirrade tidiga geologer (se ruta B). Skiffer var en bit av den omgivande klippan som hade plockats upp av kimberlite när den reste genom skorpan före utbrott. Eftersom skiffer ofta är mycket kolrik, resonerade vissa geologer att diamanter kan ha bildats genom reaktion mellan magma och skiffer (Lewis, 1887b). Vid den tiden, cirka 30 år före upptäckten av radioaktivitet, fanns det inget sätt att exakt bestämma en diamants absoluta ålder (se våren 2019 diamanter från djupet), kimberlite eller skiffer.

Box B: upptäckten av kimberliter som Källsten för diamanter

mellan 1866 och 1869 upptäcktes de första sydafrikanska diamanterna längs Vaal-och Orange-flodbäddarna (kända som ”alluviala” diamanter). Detta följdes av de första upptäckterna av diamanter i deras primära källsten vid Jagersfontein, Koffiefontein och Kimberley-området 1870. Figur B – 1 visar tidig gruvdrift i Kimberley.

Ernest Cohen erkände först denna nya källrock som igneous (Janse, 1985) och Henry Lewis (1887a) föreslog att kalla berget ”kimberlite.”Det namngavs efter staden Kimberley, som i sin tur namngavs efter Lord Kimberley, den brittiska statssekreteraren (Field et al. 2008 och referenser däri). Observationerna av Lewis (1887b), extraherade nedan, ger en intressant inblick i den gryende förståelsen av de geologiska förhållandena för diamanthändelser för mer än 130 år sedan:

år 1870, då omkring tiotusen personer hade samlats längs Vaals strand, kom nyheten om upptäckten av diamanter vid en punkt cirka femton mil från floden, där staden Kimberley nu står. Dessa var de så kallade ”torra utgrävningarna”, som först ansågs vara alluviala avlagringar, men visade sig nu vara vulkaniska rör av en mycket intressant karaktär. Fyra av dessa rör eller halsar, alla rika på diamanter och med liknande geologisk struktur, hittades nära varandra. De har visat sig gå ner vertikalt till ett okänt djup, genomträngande de omgivande lagren. Diamantbärande material vid första utgrävda var en sönderfallande gulaktig jord, som på ett djup av ca 50 fötter blev hårdare och mörkare, slutligen förvärva en slaty blå eller mörkgrön färg och en fet känsla, liknar vissa sorter av serpentin. Detta är den välkända” blå marken ” av diamantgruvarna.

den utsätts för solen under en kort tid, när den lätt sönderfaller och tvättas sedan för sina diamanter. Denna ”blå mark” har nu penetrerats till ett djup av 600 fot och visar sig bli hårdare och mer stenliknande när djupet ökar.

de diamantbärande delarna innehåller ofta så många skifferinneslutningar att de liknar en breccia, och därmed passerar lavan gradvis in i tuff eller vulkanisk aska, som också är rik på diamanter och är lättare nedbrytbar än den tätare lavan.

det verkar uppenbart att de diamantbärande rören är sanna vulkaniska halsar, som består av en mycket grundläggande lava associerad med en vulkanisk breccia och med tuff, och att diamanterna är sekundära mineraler som produceras genom reaktionen av denna lava, med värme och tryck, på de kolhaltiga skiffer som är i kontakt med och omslutna av den.

det tog experiment och geokemisk analys för att visa att diamanter inte bildas som ett resultat av kimberlitreaktion med skiffer. Men det skulle ta mer än 100 år efter upptäckten av kimberlite för att bevisa att diamanter inte kristalliserar ut ur kimberlite magma.

det första steget i vår kunskap om förhållandet mellan diamanter och kimberliter kommer från tidigt arbete med hur diamant kristalliserar. Experiment i laboratoriet visade att omvandlingen av grafit till diamant inträffade vid högt tryck och temperatur djupt inuti manteln, även om vi nu känner till de flesta diamantformer av andra reaktioner (Se Vinter 2018 diamanter från djupet). Därefter erhöll geovetenskapsmän tryck-och temperaturbegränsningar för diamantbildning (från diamantvärdstenar och deras mineralinkluderingar), vilket stärker högtrycksursprunget för naturliga diamanter (t.ex. Bundy et al., 1961; Mitchell och Crocket, 1971). Bevis på deras högtrycks ursprung innebar att diamanter tydligt måste ha bildats före någon interaktion mellan kimberlit och jordskorpstenar som skiffer (igen, se ruta B). Man trodde emellertid fortfarande att diamanter kunde kristallisera från kimberlite magma på djupet i manteln innan utbrottet till jordens yta ägde rum, eller att diamanter växte under metastabila förhållanden under kimberlite ascent (Mitchell och Crocket, 1971).

på 1970-talet använde forskare isotopdatering av kimberlitiska mineraler för att bestämma de första åldrarna av kimberlitutbrott. Med hjälp av RB-Sr-geokronologi av kimberlitiska micas bestämde geovetenskapsmän vid University of the Witwatersrand att kimberliter från Kimberley-området utbröt för cirka 86 miljoner år sedan (Allsopp och Barrett, 1975). Ungefär samma tid, U-Pb geokronologi på kimberlitiska zirkoner av samma kimberliter visade liknande resultat, att de bröt ut för cirka 90 miljoner år sedan (Davis et al., 1976). Senare analytiskt arbete förfinade dessa åldrar (t.ex. Allsopp och Kramers, 1977; Davis, 1977, 1978; Clement et al., 1979; Kramers och Smith, 1983; Smith, 1983). Vi vet nu att majoriteten av jordens kimberliter utbröt relativt nyligen (geologiskt sett) mellan 250 och 50 miljoner år sedan (se sammanställningar i Heaman et al., 2003; Jelsma et al., 2009; Tappe et al., 2018).

På 1980-talet fann Stephen H. Richardson och kollegor vid MIT, som arbetade med diamanter från Kimberley-gruvorna, att diamanterna varierar i ålder från en miljard år till mer än tre miljarder år gamla och att de har sitt ursprung i den litosfäriska mantelregionen under Kaapvaal craton (Richardson et al., 1984). Sedan Kimberley kimberlites bröt ut för bara 84 miljoner år sedan (Clement et al., 1979), Richardson et al. studien visade definitivt att diamanterna inte hade något genetiskt förhållande till kimberliten. Detta grundläggande åldersförhållande gäller för alla andra diamondiferous kimberliter. Kimberlitutbrott är då bara det sätt som diamanter tar sig från djupet i manteln till jordens yta. Diamanter är helt enkelt passageraren, och kimberliter är deras transport.

varför överlever diamanter i Kimberlite under utbrott?

en annan underbar funktion av hur kimberlites transporterar diamanter från stort djup är att diamanterna lyckas överleva. Grova diamanter resorberas ofta från sina primära oktaedriska former till sekundära former som kallas dodekaeder. Detta beror på att kimberliter håller på att lösa upp diamanten—det är bara att denna process inte har slutförts. Nästan alla andra magmas på jorden, som basalter och andesiter, skulle helt lösa upp diamant, så det är en gåva av naturen som kimberliter tillåter diamanter att överleva.

framgångsrik diamanttransport och leverans sker också eftersom kimberliter bryter ut snabbare och är mindre oxiderande än andra magmas på jorden. Diamanter kan också skyddas i bitar av sina värdstenar under mycket av transporten. Hastighet är kärnan här: en kimberlit med låg viskositet beräknas färdas i hastigheter runt 8 till 40 miles per timme (Sparks et al., 2006), medan en basaltisk Magma med normal viskositet rör sig i en bråkdel av denna takt. Kemisk sammansättning av kimberliten och dess flyktiga komponenter anses också vara viktiga faktorer.

Kimberlitutbrott i jordens historia

från fältobservationer gjorda på platsen för placerade kimberliter är kimberliter mer Explosiva än de utbrott vi ser idag på platser som Hawaii, Island, Indonesien och Mount St.Helens. Bevis för kristallgranulering, xenolitrundning och fragmentering (se ruta a, figur a-1) får geologer att dra slutsatsen att kimberlitutbrott är mycket mer våldsamma och bryter ytan med de högsta hastigheterna i någon vulkan.

de senast kända kimberlitutbrotten var de cirka 10 000 år gamla Igwisi Hills kimberlites (Brown et al., 2012) i Tanzania, även om det diskuteras om dessa utgör sann kimberlit. Dessutom är dessa kimberliter inte diamantbärande. De näst yngsta afrikanska kimberliterna är de 32 miljoner år gamla Kundelungu kimberliterna i Demokratiska republiken Kongo (Batumike et al., 2008). De senaste diamantbärande kimberlitliknande utbrotten var West Kimberley lamproites (box a), som utbröt för 24 till 19 miljoner år sedan (Allsopp et al., 1985). Cirka 45% av dessa lamproites är diamantbärande, även om endast två har bryts för sina diamanter.kimberliter har utbrott sedan åtminstone Arkean, och de äldsta som hittills upptäckts är Mitzic kimberliter i Gabon (Västafrika), som utbröt för cirka 2, 8 miljarder år sedan (de Wit et al., 2016). Kimberliter har dock inte kontinuerligt utbrott sedan den tiden, och globalt har det funnits flera tidsperioder då kimberliter utbröt oftare (Heaman et al., 2003; Jelsma et al., 2009):

hur och varför bildar kimberliter?

Smältkomposition.Den primära (eller ursprungliga) smältkompositionen av kimberlit är dåligt känd eftersom berget vi ser idag är en sådan variabel, komplicerad fysisk blandning. Kimberlite innehåller magma som har blandats med många komponenter som plockats upp längs>150 km väg till ytan. På ytan innehåller kimberlite finkornigt matrismaterial och mineraler som kallas fenokrister, främmande mineraler som kallas xenokrister (diamant är xenokristen som vi vill ha!), och utländska stenar som kallas xenoliter. Med andra ord anses kimberlite vara en ”hybrid” rock. Xenoliter själva är mycket intressanta för geologer eftersom de är prover av berget genom vilket kimberliten har passerat.

det dominerande mineralet i kimberlit är olivin, som kan vara antingen fenokrystisk (från kimberliten själv) eller xenokrystisk (från manteln och avbruten och samplad av utbrottet). Att skilja mellan dessa två populationer av olivin är inte alltid tydligt. Olivin ändras lätt till ett mineral som kallas serpentin, och denna förändring gör det också svårt att uppskatta den ursprungliga magma-kompositionen.

det finns många olika sätt att försöka bestämma den primära smältkompositionen: genomföra experiment vid höga tryck och temperaturer, titta på smältinkluderingar som finns i kimberlitmineraler och utföra massbalansberäkningar där xenokristen och förändringsmaterialet subtraheras för att komma fram till det återstående kimberlitmaterialet. Alla dessa olika tillvägagångssätt verkar nu föreslå att kimberlite magmas bildas som smälter som är rika på karbonat i asthenosfäriska manteln (Stone and Luth, 2016; Bussweiler et al., 2016; Stamm och Schmidt, 2017; Soltys et al., 2018; Howarth och Buttner, 2019). Kimberlite magma bildas efter låga mängder smältning av peridotit (se Vinter 2018 diamanter från djupet för mer information om peridotit), på djup runt 200-300 km, och innehåller stora mängder koldioxid och vatten. Närvaron av dessa så kallade flyktiga komponenter i kimberlite magma är en anledning till att kimberliteutbrott anses vara särskilt Explosiva.

varför började smältningen? Vi vet nu ungefär var i jorden kimberlite magmas har sitt ursprung,men varför började smältningen faktiskt? ”Triggers” för djup jordsmältning som föregår kimberlitutbrott är inte samma för alla kimberliter, och det finns tre huvudsakliga storskaliga geologiska scenarier som geologer vanligtvis anser:

1. mantelplymer som stiger upp från djupet i manteln och interagerar med den kratoniska litosfären
2. subduktion av oceanisk skorpa och associerade kollisionsprocesser under superkontinentbildning
3. tektonotermiska händelser associerade med superkontinentuppbrott (t.ex. Heaman och kjarsgaard, 2000, heaman et al., 2004; Jelsma et al., 2009; Kjarsgaard et al., 2017)

i synnerhet rifting av kontinenter och superkontinentuppbrytning—med tillhörande sprickbildning och spröd deformation i litosfären—ger vägarna för kimberlite magmas att nå ytan (t.ex. Jelsma et al., 2009). Men bakom alla dessa processer av magma generation och den resulterande kimberlite utbrott är förhållandet till processen för plattektonik. Utan plattektonik för att återvinna karbonat och flyktiga ämnen i manteln skulle det inte finnas några kimberliter.

var förekommer kimberliter?

kimberliter bryter inte ut i alla delar av jorden. Globalt förekommer kimberliter alla under de äldsta delarna av kontinenterna, kända som cratons (figur 2) (Clifford, 1966; Shirey och Shigley, 2013). Kratoner har tjocka litosfäriska rötter som sträcker sig ner till minst 150-200 km, och kimberlite-generationen i manteln är förmodligen förknippad med den fysiska barriären för manteluppvällning som tillhandahålls av dessa djupa kontinentala rötter. Oavsett hur kimberliter bildas är föreningen av dessa utbrott med djupa kontinentala rötter en annan av de underbara mysterierna om hur kimberliter levererar diamanter. Dessa djupa kontinentala rötter är jordens diamantförråd.

pågående forskning

det finns fortfarande mycket att lära sig om kimberliter och förhållandet mellan kimberlite magmas och diamanterna som de bär: varför exakt överlever diamant i ett kimberlite-utbrott? Vilka ytfunktioner på en diamant är relaterade till effekterna av kimberlite magma jämfört med de som kan orsakas av vätskor djupt i manteln där diamanterna bor (t. ex. Fedortchouk, 2019)?

medan varje kimberlit är unik, behövs allmänna utbrott och placeringsmodeller (se ruta C) för att förstå varför många kimberliter saknar diamanter—är det helt enkelt för att de inte bröt ut genom diamantbärande mantel? Eller är bristen på diamanter på något sätt relaterad till upplösnings-och/eller utbrottsmekanismer? Information som denna är viktig vid utforskning och utvärdering av nya diamanthändelser.

Box C: Kimberlite Eruption

kimberliter har alla feeder ”magmatiska VVS” – system på djupet som kan bestå av en cylindrisk (rör), en plan vertikal (dike) och / eller en plan horisontell (sill) form på djupet. Det är bara nära ytan att det höga flyktiga innehållet i magma orsakar en eruptiv” utblåsning ” som resulterar i en vulkanisk krater; detta är den magmatiska modellen (Sparks et al., 2006). En annan utbrottsmodell är den phreatomagmatiska modellen (Lorenz et al., 2003), som föreslår att det är Magmas reaktion med ytvatten som driver utbrottet, snarare än gaserna och flyktiga ämnen i magma. Den phreatomagmatic modellen föreslogs för Argyle lamproite utbrott (Rayner et al., 2018) och några utbrottsfaser vid Fort Kazaki la Corne (Kjarsgaard et al., 2009). Både de magmatiska och phreatomagmatiska eruptiva faserna visas i figur C-1.

i slutändan finns det skäl att bry sig om kimberliter som inte direkt relaterar till deras provtagning av diamanter utan snarare till storskalig syn på den fasta jordens djupaste geokemiska cykler. Kimberlite magma är en extrem änddel för små mängder mantelsmältning och hög Flyktig (inklusive vatten och koldioxid) innehåll. Hur bildar och migrerar sådana smältor vid så höga tryck och temperaturer? Vad avslöjar den höga andelen unga kimberliter om plattektonik och djup återvinning av flyktiga ämnen? Vad kan kimberliter berätta om sambandet mellan dynamiken i den fasta jorden och vår stora atmosfäriska växthusgas, koldioxid?

Vi har belyst de grundläggande geologiska, historiska och praktiska egenskaperna hos kimberliter. Vad är exceptionellt är att i slutändan, när en naturlig diamant köps, vi har en kimberlite att tacka för att föra den till oss.