College van de Maand: diamanten; een edel metaal geologisch verklaard

De droom van iedere vrouw, mineralenliefhebber of miljonair: in het bezit zijn van een prachtige diamant. Het liefst een van zo veel mogelijk karaat. Diamanten worden gezien als een van de meest waardevolle materialen. Er heerst bijna een magische sfeer rondom dit mineraal, zowel in de dagelijkse industrie als in sprookjes, mythen en geloofsgebruiken uit het verleden. Eind september bezocht ik de NGV/GEA ‘Vulkanische Mineralen’ themadag en woonde een lezing bij over diamanten. Dit wakkerde nieuwsgierigheid in mij aan. Zijn diamanten wel echt zo zeldzaam als wij denken? En hoe kunnen we het voorkomen van diamanten koppelen aan de geologie? In dit college zal ik deze vragen beantwoorden op basis van de diamanten-industrie in het zuiden van Afrika.

Waar vormen diamanten?
Diamanten vormen in de lithosferische mantel van de aarde onder specifieke omstandigheden. Er moet een hoge druk en een hoge temperatuur heersen. Dit is vaak het geval onder oude continentale korst die al lange tijd geen deformatie heeft ondergaan. Dit zijn de stabiele Kratons die voornamelijk stammen uit het Archeïcum (zo’n 4 tot 2,5 miljard jaar geleden). Normaal gesproken bevindt zich onder continentale of oceanische korst een rigide laag van peridotitische samentelling die deel uitmaakt van de mantel. Samen met de korst vormt deze rigide laag de lithosfeer. Onder jonge continentale korst en onder oceanische korst, rijkt deze rigide laag van de mantel slechts tot 110 kilometer diep. Onder de oude kratons is deze laag echter veel dikker en kan tot wel 200-300 kilometer diep rijken. Dit noemt men de ‘mantel kiel’ (afb. 1). Doordat deze dikke mantel kiel zo diep rijkt, kunnen de temperaturen hier gemakkelijk oplopen tot zo’n 1500 graden. De gebieden waar deze hoge temperaturen ook nog eens gepaard gaan met een hoge druk vormen de ‘Diamond Stability Regions’ (afb. 2 en 3). Oftewel, de gebieden waar diamanten kunnen vormen en stabiel zijn.

Naast de hoge druk en temperatuur is een derde vereiste voor het vormen van diamanten, n.l. de aanwezigheid van koolstof ( C ). Deze koolstof atomen kunnen afkomstig zijn uit CO2 of CO3. CO2 is voornamelijk afkomstig uit de mantel en komt vrij als gevolg van ontgassing. CO3 wordt vaak tijdens de subductie in de vorm van sedimenten meegenomen de mantel in. De hoge druk en temperatuur in de mantel zorgen voor herschikking van de koolstof atomen, waardoor een kubisch kristalrooster vormt. Dit kristalrooster is te zien in afbeelding 4. De vorm van het kristalrooster en de sterke covalente bindingen die de koolstof atomen onderling kunnen aangaan zorgen ervoor dat diamant een van de hardste mineralen op aarde is. Grafiet, wat ook opgebouwd is uit koolstof atomen maar een ander kristalrooster heeft, is daarentegen een erg zacht mineraal. De omzet van diamant naar grafiet kost erg veel energie en zal dus nauwelijks spontaan in de natuur gebeuren. Dit is dan een van de redenen dat diamanten stabiel aan het oppervlak kunnen zijn en niet zomaar omgezet zullen worden in grafiet.

Hoe komen diamanten aan het oppervlak?
Diamanten kunnen op verschillende manieren aan het oppervlak komen: door middel van Kimberlites, Lamproiten en Lamphophyren. Aangezien Kimberlites het meest voorkomend zijn, zal er in dit college enkel hierop in gegaan worden en zullen Lamproiten en Lamphophyren buiten beschouwing gelaten worden.
Kimberlites, of Kimberlieten vormen voornamelijk verticale structuren in de aardkorst, ook wel magmatische dikes genoemd (afb.5). De magma’s van Kimberlieten zijn anders van samenstelling in vergelijking met de gemiddelde continentale magma’s. Zo is de concentratie van gassen (waaronder CO2, fluorgas, chloorgas en waterdamp) vele malen hoger en is het gehalte magnesium oxide (MgO) hoger. Bovendien is het magma minder oxiderend dan een gemiddeld basaltisch magma. Deze magma eigenschappen gepaard met het feit dat een Kimberliet-eruptie zeer snel plaatsvindt, zorgt ervoor dat er nauwelijks tijd is voor de resorptie van diamanten. Wanneer een diamant langdurig in contact komen met een magma van gemiddelde basaltisch samenstelling, zal de diamant niet in chemisch evenwicht zijn met de magma en geresorbeerd worden. Dit zorgt ervoor dat de diamanten in deze gevallen het oppervlak nooit zullen bereiken.

Diamantmijnen in Afrika
In verschillende landen in het zuiden van Afrika komen Kimberlieten in grote aantallen voor. Zo heeft Zuid-Afrika een grote diamantenindustrie, maar ook landen als Namibië, Botswana en Congo mijnen de edelsteen in grote aantallen (Afb 5). Hier bevinden zich dan ook vele Kimberliet-intrusies in de korst. Op sommige plekken heeft na de intrusie en de eruptie van de Kimberliet nog uplift van het landschap plaats gevonden. Toename van erosie heeft ervoor gezorgd dat de Kimberlieten uit-geërodeerd konden worden, waardoor diamanten simpelweg los raakten en konden worden meegevoerd met rivieren. Op andere plekken bevinden de diamanten zich nog grotendeels onder de grond, waardoor hier enkel door uitgraven en intensieve mijnbouw diamanten gewonnen kunnen worden.

Per jaar wordt er per mijn tot wel 10 miljoen karaat aan diamanten gemijnd, echter zijn niet al deze diamanten geschikt voor de sieradenindustrie. De diamanten worden uitgezocht en gesorteerd, en enkel de mooiste zijn geschikt voor de verkoop als edelsteen. De andere, minder mooie diamanten worden gebruikt voor de wetenschap en voor de technologie. Zo zijn er afgelopen jaar een aantal masterstudenten van de Vrije Universiteit naar Botswana afgereisd om hier voor hun onderzoek zelf een aantal diamanten uit te kiezen. Zij zullen de groeiringen van diamanten gaan bestuderen en hieruit afleiden hoe de condities diep in de aarde door de tijd heen zijn veranderd. Ook kunnen de diamanten gedateerd worden, waardoor men meer te weten kan komen over de ouderdom van het Afrikaanse Kraton en de tektonische geschiedenis.

Kortom, er gaat een heel geologisch verhaal vooraf aan de prachtige diamanten die in de etalage liggen bij de plaatselijke juwelier. Ook is het dus eigenlijk zo dat diamanten op zich niet per se veel geld waard hoeven te zijn, het is maar net welke kwaliteit er verwacht wordt. De magie rondom dit ‘Edele mineraal’ is dus uiteindelijk zeer geologisch te verklaren.

Bronnen

• Hobart M. King, P. R. (2018). How do diamonds form. Opgehaald van geology,com: https://geology.com/articles/diamonds-from-coal/
• Michaud, D. (2016). Kimberlite Deposits and Geology of Diamonds. Opgehaald van 911metallurgist.com.
• Winter. (2013). Recent Advances in Understanding the Geology of Diamonds. 49(4).