چگونه الماس در اعماق زمین تشکیل می شود؟

کربن یکی از مهمترین عناصر سیاره ما است تا جاییکه سبب شد انجمن زمین شناسی لندن سال 2019 را سال کربن نامگذاری کند. الماس ها میزبان اصلی کربن در اعماق زمین هستند و همچنین منشا عمیق تری نسبت به سایر سنگ های قیمتی دارند. در حالی که زمرد و یاقوت‌ها در پوسته زمین شکل می گیرند، الماس ها در عمق صدها کیلومتری گوشته زمین تشکیل می شوند. گوهرهای رنگی به دانشمندان درباره پوسته می گویند. الماس های گوهری به دانشمندان درباره گوشته می گویند. این امر الماس ها را در بین گوهرها منحصر به فرد می کند: نه تنها زیبایی فوق العاده ای دارند، بلکه می توانند به دانشمندان در درک فرآیندهای کربن در اعماق زمین نیز کمک کنند. در واقع، الماس ها تنها نمونه های مستقیمی هستند که ما از گوشته زمین داریم.

اما چگونه الماس در گوشته زمین رشد می کند؟ در حالی که تصویر هالیوود از سوپرمن در حال فشردن زغال‌سنگ تخیل عموم را به خود جلب کرد، اما در واقعیت این کار جواب نمی‌دهد. زغال سنگ یک ترکیب پوسته ای است و در فشار گوشته یافت نمی شود. همچنین، اکنون می‌دانیم که الماس تمایل ندارد از طریق تبدیل مستقیم کربن جامد تشکیل شود، حتی اگر شرایط فشار و دما به‌عنوان واکنش گرافیت به الماس فراهم شود، چیزی که به طور سنتی در گذشته مورد مطالعه تجربی قرار گرفته بود.

به طور کلی، دو شرط برای تشکیل الماس مورد نیاز است: 1- کربن باید در سیال گوشته وجود داشته باشد یا به مقدار کافی ذوب شود. 2- مذاب یا سیال باید به اندازه کافی کاهیده شود تا اکسیژن با کربن ترکیب نشود.

اما آیا الماس ها همه با یک مکانیسم رشد می کنند؟ منشا آنها در مورد محیط رشد و سنگ میزبان گوشته آنها چه چیزی را نشان می دهد؟ با کمال تعجب، الماس ها همه به یک شکل تشکیل نمی شوند، بلکه در محیط های مختلف و از طریق مکانیسم های مختلف شکل می گیرند. در طول دهه‌ها مطالعه، اکنون متوجه شده‌ایم که الماس‌هایی مانند “الماس نادر آبی هوپ” ، کولینان بزرگ بی‌رنگ، و الماس‌های زرد رایج‌تر «cape» همگی منشا تشکیل بسیار متفاوتی در اعماق زمین دارند.

الماس ها از سیالات موجود در گوشته ای تشکیل می شوند که به دلیل تکتونیک صفحه ای تغییر مکان داده اند.

الماس یک کانی معدنی متاسوماتیک است که در هنگام جابه‌جایی/مهاجرت سیالات حاوی کربن تشکیل می شود، به این معنی که از مایعاتی تشکیل و ذوب می شود که در گوشته حرکت می کنند. الماس ها می توانند هم در پریدوتیت (نوعی سنگ غالب در گوشته حاوی کانی‌های ارتوپیروکسن، کلینوپیروکسن و الیوین) و هم در اکلوژیت در گوشته لیتوسفری کراتونیکی (نوعی سنگ حاوی کلینوپیروکسن غنی از سدیم و گارنت با ترکیبات پیروپ (غنی از منیزیم)، گروسولار (غنی از کلسیم) و آلماندین (غنی از آهن) ) ، و همچنین معادل های فشار بالاتر آنها در ناحیه انتقال بسیار عمیق تر و گوشته پایین تر تشکیل شوند. صرف نظر از عمق تشکیل الماس، به نظر می رسد بسیاری از سیالات و مذاب های الماس مربوط به بازگردشی مواد سطحی در اعماق زمین یا فرآیندهای ذوب عمیق در هنگام جدا شدن صفحات تکتونیکی یا شکاف برای تشکیل اقیانوس های جدید باشد. هر دو فرآیند به‌عنوان بخشی از چرخه‌های زمین‌شناسی که همراه با تکتونیک صفحه‌ای یا در دوران باستان، نوعی از تکتونیک پیش صفحه‌ای هستند، رخ می‌دهند.

الماس ها در کجای زمین تشکیل می شوند؟

الماس های طبیعی معمولاً در فاصله 150 تا 200 کیلومتری زیر سطح زمین تشکیل می شوند. تشکیل الماس در همه جای این اعماق رخ نمی دهد، بلکه فقط در زیر قدیمی ترین قاره هایی که میلیاردها سال پایدار بوده اند، رخ می دهد. این مناطق به عنوان کراتن ها (زیرسپر ، سطح سنگی عظیم و استواری که بخش زیرین هر قاره و فلات قاره‌ی آن را تشکیل می دهد) شناخته می شوند. این به این دلیل است که این کراتن‌های قدیمی همگی دارای خاستگاه‌های قاره‌ای ضخیم با پروفایل‌های دمای سرد هستند که منجر به تشکیل الماس می‌شوند که زمین‌شناسان آن را «گوشته لیتوسفری قاره‌ای» می‌نامند. الماس‌هایی که در این خاستگاه‌های قاره‌ای شکل می‌گیرند، به عنوان الماس‌های لیتوسفری شناخته می‌شوند و توسط فوران‌های آتشفشانی نادر به نام کیمبرلیت به سطح زمین منتقل می‌شوند.

الماس های دیگر بسیار عمیق تر در زمین، در مناطق زیر لیتوسفر گوشته، زیر این خاستگاه‌های قاره ای شکل می گیرند. الماس های به اصطلاح فوق عمیق در اعماق بسیار بیشتر از 200 کیلومتر، در مناطقی از گوشته به نام منطقه انتقال (410 تا 660 کیلومتر زیر سطح زمین) و گوشته پایین (بیش از 660 کیلومتر) تشکیل می شوند. پس از تشکیل، آنها به اعماق کم‌تر گوشته منتقل می‌شوند، احتمالاً از طریق سلول‌های همرفتی گوشته، و سپس توسط فوران‌های کیمبرلیت به سطح آورده می‌شوند. همرفتی گوشته زمین مرتبط با تکتونیک صفحه ای مسئول در دسترس بودن سیالات لازم برای تشکیل الماس و بازگشت الماس به سطح است. کف اقیانوس با فرآیندی به نام فرورانش به اعماق گوشته رانده می شود و سیالات الماس ساز را در مواد معدنی و سنگ های تغییر یافته توسط آب دریا حمل می کند. جریان برگشتی همرفتی گوشته همچنین باعث می‌شود که گوشته داغ به سطوح کم‌عمق‌تری برود و ذوب شود و کیمبرلیت‌هایی تولید کند که الماس‌ها را به سطح می‌رسانند.

الماس های لیتوسفر چگونه تشکیل می شوند؟

الماس های لیتوسفری اغلب حاوی نیتروژن قابل تشخیص هستند، به این معنی که از سیالات حاوی کربن و نیتروژن (دارای C-N) متبلور می شوند. از طریق مطالعه الماس از بسیاری از مناطق مختلف، ما اکنون می دانیم که تفاوت های ناچیزی در ترکیبات این سیالات و مذاب های حاوی C-N وجود دارد. این تفاوت ها به صورت تغییر در نوع ترکیبات کربن و نیتروژن موجود در این سیالات ظاهر می شود. سیالات و مذاب های آبدار “اکسید شده” می توانند حاوی CO3، CO2 و N2 باشند، در حالی که سیالات آبدار “کاهش یافته” بیشتر حاوی CH4، NH3 و H2 جزئی هستند.

مدل‌های سنتی برای تشکیل الماس از سیالات گوشته ، کاهنده (CO3) یا اکسیداسیون متان (CH4) را برای حذف عناصر متصل به کربن استدلال می کنند. هر دوی این مکانیسم ها به تبادل اکسیژن با سنگ های اطراف – پریدوتیت یا اکلوژیت – در محل ته نشینی سریع الماس نیاز دارند تا بتوان کربن عنصری را برای متبلور کردن الماس تولید کرد. گاهی اوقات پریدوتیت ظرفیت محدودی برای تبادل اکسیژن دارد و ما اکنون می دانیم که خنک شدن سیالات آبدار حاوی متان (CH4) و دی اکسید کربن (CO2) یک راه جایگزین برای رسوب الماس در این سنگ ها است (شکل 1).

متأسفانه، الماس‌های با کیفیت گوهری تقریباً هرگز حاوی مایعات به دام افتاده نیستند که بتواند مستقیماً نحوه تشکیل آنها را نشان دهند. با این حال، الماس‌های به اصطلاح فیبری وجود دارند (شکل 2) که بسیار سریع‌تر از الماس‌های با کیفیت گوهری رشد می‌کنند و حتی هسته‌های الماس گوهری قدیمی را پوشانده و به آنها اجازه می‌دهد مایعات فراوانی را به دام بیندازند. الماس های فیبری از سراسر جهان، از جمله کانادا، غرب آفریقا، سیبری و آفریقای جنوبی، دارای ترکیباتی هستند که مخلوط های متفاوتی از سه ترکیب سیال عضو انتهایی هستند: کربنات مانند، غنی از سیلیس، یا نمک .

منشا الماس های فیبری و مایعات آنها هنوز مورد بحث است. برخی از محققان استدلال می کنند که الماس های فیبری ممکن است به ماگماهای کیمبرلیت که الماس ها را به سطح منتقل می کنند مرتبط باشند. اگر چنین باشد، الماس های فیبری می توانند درست قبل از فوران کیمبرلیت به سطح زمین تشکیل شوند، که آنها را بسیار جوان تر از بسیاری از الماس های با کیفیت گوهری ای می کند که ممکن است میلیون ها تا میلیاردها سال در گوشته زندگی کرده باشند. با این حال، یک مطالعه، طیف کاملی از مایعات در برخی از الماس های فیبری شمال کانادا را با لیتوسفر اقیانوسی فرورانش مرتبط کرد و نتیجه گرفت که سیال فرورانش اولیه مربوط به آب دریا بازگردشی بیش از 200 میلیون سال پیش است . این نشان می‌دهد که برخی از الماس‌های فیبری می‌توانند زمان ماندگاری گوشته طولانی‌تری داشته باشند و لزوماً همیشه با فوران کیمبرلیت مرتبط نیستند.

سیالاتی شبیه به الماس های فیبری در امتداد صفحات دوقلو در الماس هایی کمیاب با کیفیت گوهری از آفریقای جنوبی یافت شده است، که نشان می دهد برخی از الماس های با کیفیت گوهری ممکن است شرایط شکل گیری مشابهی با الماس های فیبری داشته باشند. با این حال، ادغام سیال در الماس گوهری در واقع بسیار نادر است، و ترکیبات منبع و ماهیت واکنش دهنده ها برای ساخت الماس باید از تغییرات کمکی ترکیب ایزوتوپ کربن و محتوای نیتروژن، چه در الماس های تکی یا مجموعه های الماس استنتاج شود. این مطالعات ایزوتوپ کربن نشان می‌دهد که الماس‌های گوهری ممکن است از طریق مکانیسم‌های متفاوتی تشکیل شوند، اگرچه معمولاً شامل سیال‌های حاوی کربن آبدار هستند که حاوی اکسیژن و هیدروژن (به عنوان CO3، CO2، یا CH4) هستند.

مطالعات ایزوتوپ کربن می تواند استنباط کند که آیا یک سیال منبع الماس “اکسیده شده” یا “کاهیده شده” است اما ترکیب عنصری کامل سیال را نشان نمی دهد. الماس ها عمدتاً از کربن تشکیل شده اند و هر عنصر دیگری که در الماس وجود دارد معمولاً در فراوانی بسیار کم تر هستند بطوریکه اندازه گیری آن دشوار است. به همین دلیل تنها در حال حاضر ، داده‌های عناصر کم مقدار برای الماس‌های با کیفیت گوهری با پیشرفت‌هایی در اندازه تحلیلی محقق می‌شوند. اما به نظر می‌رسد که داده‌های موجود در عناصر کم مقدار برای الماس‌های با کیفیت گوهری شباهت‌های ترکیبی زیادی را با الماس‌های فیبری غنی از مایع نشان می‌دهد ، همچنین نشان می‌دهند که الماس‌های فیبری و گوهری از انواع مشابه مایعات گوشته متبلور می‌شوند.

الماس؛ محصول فرورانش بسیار عمیق

الماس های به اصطلاح فوق عمیقی که در گوشته زیر لیتوسفری شکل می گیرند حاوی نیتروژن بسیار کمی هستند و نسبتاً خالص هستند و تقریباً بی رنگ هستند. برخی از الماس های فوق عمیق از نظر شکل پذیری دفورمه شده اند و رنگ آنها را صورتی یا قهوه ای می کند (به عنوان مثال، الماس های منطقه Juína در برزیل). به ندرت، آنها می توانند حاوی مقداری بور باشند که رنگ آبی ایجاد می کند (به عنوان مثال، الماس Hope). بر اساس مطالعات انجام شده بر روی الماس های فوق عمیق حاوی اینکلوژن، اکنون می دانیم که همه آنها نمی توانند در یک محیط تشکیل شوند و باید از طیف گسترده ای از مایعات منبع و مذاب متبلور شوند که همگی به جنبه های مختلف فرورانش بسیار عمیق مربوط می شوند.

بسیاری از الماس های فوق عمیق، مانند الماس های مربوط به نواحی رودخانه جوینا و ماچادو در برزیل، شواهدی از اینکلوژنها را برای تبلور خود از سیالات غنی از کربنات حفظ می کنند. این سیالات منبع غنی از CO3 احتمالاً از لیتوسفر اقیانوسی که عمیقاً به منطقه انتقال گوشته فرورانده شده است ، سرچشمه می گیرد. الماس های CLIPPIR (شکل 4) اکنون به عنوان متبلور از مذاب های فلزی در اعماق زمین شناخته شده اند که در عوض با کربن کاهش یافته (CH4) و هیدروژن مرتبط هستند . این الماس‌ها دارای ترکیبات ایزوتوپی کربنی هستند که بر خلاف آنچه برای گوشته انتظار می‌رود، نشان می‌دهند که منبع نهایی کربن در “لیتوسفر اقیانوسی” است چیزی که در مورد سایر الماس‌های فوق عمیق می بینیم. سومین نوع الماس فوق عمیق، الماس های آبی حاوی بور، نیز مربوط به لیتوسفر اقیانوسی عمیق فرورانش شده است (شکل 4؛ اسمیت و همکاران، 2018). با این حال، در این مورد، منبع مایعات حاوی بور احتمالاً پریدوتیت دگرگون شده در بخش های عمیق تر لیتوسفر فرورانش شده است.

مطالعات آینده در مورد سیالات تشکیل دهنده الماس

درک ما از سیالاتی که از آنها الماس تشکیل می شود با پیشرفت در حساسیت تکنیک های تحلیلی در حال بهبود است. بیشتر الماس ها فقط از کربن تشکیل شده اند که کمتر از چند قسمت در میلیون نیتروژن، بور و سایر عناصر کم مقدار دارند. بسیاری از عناصری که دانشمندان علاقه مند به کشف آنها در الماس هستند در حال حاضر قادر به اندازه گیری دقیق نیستند. با تکنیک‌های تحلیلی ارتقا یافته که می‌تواند غلظت بسیار کم عناصر کم مقدار را در الماس اندازه‌گیری کند، ممکن است بتوانیم منشا مختلف سیالات منبع الماس را بهتر درک کنیم.

کار آینده همچنین نشان خواهد داد که چگونه محیط های مختلف تشکیل الماس با یکدیگر ارتباط دارند. درک ما از منشاء سیالات منبع الماس لیتوسفر بهتر از الماس های زیر لیتوسفر توسعه یافته است. این به این دلیل است که آنها حاوی نیتروژن بسیار بیشتری هستند که می تواند همراه با کربن مورد مطالعه قرار گیرد، و گاهی اوقات آنها هنوز در سنگ های میزبان پریدوتیت یا اکلوژیت خود به دام افتاده اند (شکل 3). از آنجایی که الماس‌های فوق عمیق حاوی نیتروژن کم یا بدون نیتروژن هستند و هرگز در سنگ‌های میزبان گوشته فوق‌عمیق اصلی خود یافت نمی‌شوند، اطلاعات کمتری در مورد شرایط زمین‌شناسی که در آن شکل گرفته‌اند ارائه می‌کنند.

با این حال، ما می دانیم که سیالات غنی از کربنات، مذاب های فلزی، و سیالات غنی از بور در الماس های فوق عمیق، همگی به نوعی با مواد فرورانش شده عمیق از لیتوسفر اقیانوسی زمین مرتبط هستند. اما چالش پیش‌بینی زمین‌شناسان برای پیش‌بینی محل وقوع این حوزه‌ها، همگی با حالت‌های اکسیداسیون متفاوت، در اعماق زمین باقی می‌ماند. مدل‌های کنونی اکتشاف الماس تمرکز تقریباً انحصاری بر الماس‌های لیتوسفری دارند، بنابراین زمین‌شناسان هنوز باید بیشتر تلاش کنند تا دریابند چگونه الماس‌های فوق عمیق با ارزش بالقوه را کاوش کنند.

منبع: مجله گوهر و گوهرشناسی ، زمستان 2018 ، نوشته Karen V. Smit and Steven B. Shirey از
GIA