Wprowadzenie
Diament to węgiel, przekształcony przez Ziemię. To zdanie jest łatwe do napisania, a trudne do pojęcia — ponieważ warunki wymagane do jego powstania nie istnieją w pobliżu powierzchni, wiążą się z ciśnieniami, których żadne laboratorium nie jest w stanie utrzymać w skali geologicznej, i rozwijają się w ramach czasowych mierzonych w miliardach lat.
Zrozumienie, jak powstają naturalne diamenty, to nie tylko geologiczna ciekawość. Wyjaśnia, dlaczego diamenty są skończone, dlaczego każdy kamień nosi unikalną sygnaturę chemiczną i dlaczego żadne dwa złoża na Ziemi nie są takie same. Nauka rysuje również wyraźną granicę między diamentami naturalnymi a hodowanymi w laboratorium: oba są węglem, oba są diamentami — ale jeden rejestruje miliardy lat głębokiej historii Ziemi, a drugi rejestruje godziny spędzone w reaktorze.
Gdzie powstają diamenty
Prawie wszystkie naturalne diamenty o jakości jubilerskiej powstają w kratonowym płaszczu litosferycznym — grubych, starożytnych korzeniach kontynentów, które rozciągają się 150 do 200 kilometrów pod powierzchnią. Te kratony to najstarsze i najbardziej stabilne części płyt kontynentalnych, niektóre datowane na ponad 2,5 miliarda lat.
Na tych głębokościach warunki przekraczają próg, w którym atomy węgla wiążą się w sztywną sieć tetraedryczną, która definiuje diament. Powyżej tej strefy ciśnienie jest niewystarczające. Poniżej niej — na głębokościach przekraczających 300 kilometrów — niewielka liczba tak zwanych „supergłębokich” diamentów tworzy się w jeszcze bardziej ekstremalnych warunkach, ale są one rzadkie i rzadko osiągają jakość jubilerską.
Geografia ma znaczenie. Diamenty nie są rozmieszczone losowo na całej planecie. Występują niemal wyłącznie pod starożytnymi kratonami kontynentalnymi — w południowej i zachodniej Afryce, północnej Kanadzie, Syberii, Indiach, Brazylii i Australii. Tam, gdzie korzeń płaszcza jest młody lub cienki, diamenty nie powstają.
Temperatura i ciśnienie
Dwie zmienne rządzą stabilnością diamentu: temperatura i ciśnienie. W strefie powstawania diamentów temperatury wahają się od 950°C do 1400°C, a ciśnienie przekracza 4 GPa — co stanowi około 40 000 razy ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza.
Liczby te definiują pole stabilności na diagramie fazowym. W jego obrębie atomy węgla układają się w diament. Poza nim — na przykład przy niższych ciśnieniach — węgiel tworzy grafit. Dlatego prędkość ma znaczenie, gdy diamenty ostatecznie podróżują na powierzchnię: jeśli podróż jest zbyt wolna, kamień ulega degradacji do grafitu, zanim dotrze do chłodniejszych skał o niższym ciśnieniu. Diament, który nosisz, przetrwał, ponieważ poruszał się wystarczająco szybko.
Okno ciśnienia i temperatury jest wąskie w kategoriach geologicznych, ale istnieje na szerokim obszarze horyzontalnym pod każdym kratonem. Dlatego pojedyncze złoża diamentów mogą zawierać kamienie o bardzo różnym wieku — strefa formowania utrzymuje się przez miliardy lat, produkując diamenty w wielu epizodach geologicznych.
Źródło węgla i krystalizacja
Diament nie rośnie ze stałej skały. Krystalizuje z płynów i stopów zawierających węgiel, które migrują przez płaszcz — proces, który geolodzy nazywają metasomatozą. Te płyny, bogate w rozpuszczony węgiel wraz z wodą i dwutlenkiem węgla, przesączają się przez przestrzenie międzykrystaliczne skały płaszcza. Gdy warunki ciśnienia, temperatury lub składu chemicznego zmieniają się wzdłuż ścieżki płynu, węgiel wytrąca się z roztworu i krystalizuje jako diament.
Sam węgiel ma dwa główne pochodzenia. Część jest pierwotna — obecna w płaszczu od powstania Ziemi. Część jest poddawana recyklingowi: subdukcja płyt tektonicznych wpycha węgiel powierzchniowy — z skorupy oceanicznej, osadów i materii organicznej — głęboko w płaszcz, gdzie staje się dostępny do wzrostu diamentu. Analiza izotopów węgla w pojedynczych diamentach może rozróżnić te źródła, dostarczając chemicznego odcisku palca, gdzie i kiedy węgiel dostał się do płaszcza.
Ten metasomatyczny proces jest powolny i epizodyczny. Pojedynczy diament może rosnąć, zatrzymywać się i wznawiać wzrost przez miliony lat, rejestrując zmieniające się warunki płaszcza w koncentrycznych strefach wzrostu widocznych pod powiększeniem.
Skały macierzyste: perydotyt i eklogit
Diamenty powstają w dwóch głównych typach skał płaszcza, a rozróżnienie to ma znaczenie, ponieważ wpływa na inkluzje mineralne uwięzione w każdym kamieniu.
Perydotyt jest dominującą skałą macierzystą, stanowiącą ponad 95% objętości materiału płaszcza zawierającego diamenty. Jest to główny składnik górnego płaszcza — gęsta, bogata w oliwin skała, która tworzy podłoże korzenia kratonowego. Diamenty powstałe w perydotycie zazwyczaj zawierają inkluzje oliwinu, granatu piropowego i chromoszpinelu.
Eklogit stanowi mniej niż 5% materiału macierzystego diamentów, ale wytwarza nieproporcjonalnie dużą część większych, wyższej jakości kamieni. Eklogit jest gęstszy niż perydotyt i powstaje ze subdukowanej skorupy oceanicznej, która została zmetamorfizowana na głębokości. Diamenty z eklogitu zawierają inne inkluzje — zazwyczaj granat i klinopiroksen (omfacyt) — i często wykazują sygnatury izotopów węgla zgodne z węglem z recyklingu powierzchniowego.
Rozróżnienie skały macierzystej jest niewidoczne w gotowym wyrobie jubilerskim, ale jest zapisane w inkluzjach diamentu. Te fragmenty minerałów, zamknięte w kamieniu w momencie jego powstania, są jedynymi bezpośrednimi próbkami głębokiego płaszcza dostępnymi dla nauki.
Jak stare są diamenty?
Pojedyncze diamenty zostały datowane na wiek od około 90 milionów lat do ponad 3,5 miliarda lat, przy użyciu radiogenicznych systemów izotopowych — najczęściej datowania metodą osmowo-renową inkluzji mineralnych uwięzionych w kamieniu.
Najstarsze diamenty poprzedzają pierwsze życie wielokomórkowe o ponad miliard lat. Wiele diamentów wydobywanych dziś w południowej Afryce powstało w eonie archaicznym, ponad 2,5 miliarda lat temu. Inne, z młodszych złóż, powstały podczas późniejszych epizodów geologicznych, gdy płyny płaszcza remobilizowały węgiel pod tymi samymi kratonami.
Warto zauważyć, że wiek diamentu nie jest tożsamy z wiekiem złoża, w którym został znaleziony. Trzymiliardowy diament mógł zostać wyniesiony na powierzchnię przez erupcję kimberlitową zaledwie 100 milionów lat temu. Kamień czekał w płaszczu przez większość historii Ziemi, zanim trafił na powierzchnię.
Inne sposoby powstawania diamentów
Podczas gdy krystalizacja w płaszczu kratonowym wytwarza praktycznie wszystkie naturalne diamenty o jakości jubilerskiej, trzy inne mechanizmy tworzą diamenty w naturze — żaden w skali jubilerskiej.
Strefy subdukcji mogą wytwarzać mikrodiamanty — zazwyczaj o rozmiarach od 1 do 80 mikrometrów — gdy materiał bogaty w węgiel jest przemieszczany na wystarczającą głębokość i pod wystarczające ciśnienie. Są one cenne naukowo, ale zbyt małe do jakiegokolwiek praktycznego zastosowania.
Uderzenia asteroid generują ulotne warunki wysokiego ciśnienia w miejscu kolizji, przekształcając węgiel w skale docelowej w diament. Powstałe kamienie są maleńkie — rzadko przekraczające 2 milimetry — i silnie spękane.
Meteoryty sporadycznie zawierają nanodiamanty utworzone w przestrzeni kosmicznej, albo w ośrodku międzygwiezdnym, albo podczas szoku zderzeń planetarnych. Są one mierzone w nanometrach i badane pod mikroskopami elektronowymi.
Dla konsumentów rozróżnienie jest proste: diament w pierścionku formed by the first method — głęboko w płaszczu, w ciągu geologicznego czasu, pod stałym ciśnieniem, którego żadne zdarzenie powierzchniowe nie jest w stanie odtworzyć.
Podsumowanie
Naturalne diamenty są produktem utrzymujących się ekstremalnych warunków głęboko w płaszczu Ziemi — węgiel krystalizował z migrujących płynów na głębokości 150–200 km, pod ciśnieniem powyżej 4 GPa i w temperaturach 950–1400°C, w starożytnych korzeniach kontynentów. Większość z nich ma od jednego do trzech i pół miliarda lat. Każdy kamień rejestruje w swojej chemii i inkluzjach specyficzne środowisko płaszcza, w którym rósł — geologiczne archiwum zapieczętowane w najtwardszym znanym naturalnym materiale. Zrozumienie tego procesu jest podstawą wszystkiego innego w nauce o diamentach: jak diamenty docierają na powierzchnię, dlaczego mają różne kolory i co ich inkluzje ujawniają o głębokiej Ziemi.