Skjult i afrikanske diamanter, en milliard-plus års dyb jordhistorie

Diamanter beskrives undertiden som budbringere fra den dybe jord; videnskabsmænd studerer dem nøje for at få indsigt i de ellers utilgængelige dybder, hvorfra de kommer. Men beskederne er ofte svære at læse. Nu, et hold har fundet på en måde at løse to mangeårige gåder på:alderen for individuelle væskebærende diamanter, og kemien i deres modermateriale. Forskningen har givet dem mulighed for at skitsere geologiske begivenheder, der går mere end en milliard år tilbage - et potentielt gennembrud, ikke kun i studiet af diamanter, men af ​​planetarisk udvikling.

Diamanter af ædelstenskvalitet er næsten rene gitter af kulstof. Denne elementære renhed giver dem deres glans; men det betyder også, at de har meget lidt information om deres alder og oprindelse. Imidlertid, nogle prøver af lavere kvalitet rummer ufuldkommenheder i form af små lommer af væske - rester af de mere komplekse væsker, hvorfra krystallerne er udviklet. Ved at analysere disse væsker, videnskabsmændene i den nye undersøgelse udarbejdede tidspunkterne, hvor forskellige diamanter blev dannet, og de skiftende kemiske forhold omkring dem.

"Det åbner et vindue - ja, Lad os sige, endda en dør - til nogle af de virkelig store spørgsmål" om udviklingen af ​​den dybe jord og kontinenterne, sagde hovedforfatter Yaakov Weiss, en adjungeret videnskabsmand ved Columbia University's Lamont-Doherty Earth Observatory, hvor analyserne er udført, og lektor ved det hebraiske universitet i Jerusalem. "Det er første gang, vi kan få pålidelige aldre for disse væsker." Undersøgelsen blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Naturkommunikation .

De fleste diamanter menes at danne omkring 150 til 200 kilometer under overfladen, i relativt kølige klippemasser under kontinenterne. Processen kan gå så langt som 3,5 milliarder år tilbage, og fortsætter formentlig i dag. Lejlighedsvis, de bliver båret op af magtfulde, dybtliggende vulkanudbrud kaldet kimberlitter. (Forvent ikke at se en bryde ud i dag; de yngste kendte kimberlitforekomster er titusinder af år gamle.)

Meget af det, vi ved om diamanter, kommer fra laboratorieeksperimenter, og undersøgelser af andre mineraler og sten, der kommer op med diamanterne, eller er nogle gange endda indesluttet i dem. De 10 diamanter, som holdet undersøgte, kom fra miner grundlagt af De Beers-virksomheden i og omkring Kimberley, Sydafrika. "Vi kan lide dem, som ingen andre virkelig ønsker, " sagde Weiss - fibrøst, snavsede prøver, der indeholder faste eller flydende urenheder, der diskvalificerer dem som smykker, men bærer potentielt værdifuld kemisk information. Indtil nu, de fleste forskere har koncentreret sig om solide indeslutninger, såsom små stykker granat, at bestemme alderen på diamanter. Men de aldre, som solide indeslutninger indikerer, kan diskuteres, fordi indeslutningerne måske eller måske ikke er dannet på samme tid som selve diamanten. Indkapslede væsker, på den anden side, er den ægte vare, de ting, som selve diamanten er dannet af.

Det, Weiss og hans kolleger gjorde, var at finde en måde at datere væskerne på. Det gjorde de ved at måle spor af radioaktivt thorium og uran, og deres forhold til helium-4, en sjælden isotop, der skyldes deres henfald. Forskerne fandt også ud af den maksimale hastighed, hvormed de kvikke små heliummolekyler kan lække ud af diamanten - uden hvilke data, konklusioner om alder baseret på isotopens overflod kunne kastes langt væk. (Det viser sig, diamanter er meget gode til at indeholde helium.)

Holdet identificerede tre forskellige perioder med diamantdannelse. Disse fandt alle sted inden for separate stenmasser, der til sidst smeltede sammen til det nuværende Afrika. Den ældste fandt sted for mellem 2,6 milliarder og 700 millioner år siden. Væskeindeslutninger fra den tid viser en tydelig sammensætning, ekstremt rig på carbonatmineraler. Perioden faldt også sammen med opbygningen af ​​store bjergkæder på overfladen, tilsyneladende fra sammenstød og sammenknusning af klipperne. Disse kollisioner kan have haft noget at gøre med produktionen af ​​de carbonatrige væsker nedenfor, selvom præcis hvordan er vagt, siger forskerne.

Den næste diamantdannelsesfase strakte sig over en mulig tidsramme på 550 millioner til 300 millioner år siden, da det proto-afrikanske kontinent fortsatte med at omarrangere sig selv. På dette tidspunkt, væskeindeslutningerne viser, væskerne var høje i silicamineraler, indikerer et skift i underjordiske forhold. Perioden faldt også sammen med en anden stor bjergbygningsepisode.

Den seneste kendte fase fandt sted mellem 130 millioner år og 85 millioner år siden. Igen, væskesammensætningen skiftede:Nu, det var højt i saltvandsforbindelser indeholdende natrium og kalium. Dette tyder på, at kulstoffet, som disse diamanter blev dannet af, ikke kom direkte fra den dybe jord, men snarere fra en havbund, der blev slæbt ind under en kontinental masse ved subduktion. denne idé, at nogle diamanters kulstof kan genbruges fra overfladen, blev engang anset for usandsynligt, men nyere forskning fra Weiss og andre har øget dens valuta.

Et spændende fund:Mindst én diamantindkapslet væske fra både den ældste og yngste epoke. Det viser, at nye lag kan føjes til gamle krystaller, giver individuelle diamanter mulighed for at udvikle sig over store tidsrum.

Det var i slutningen af ​​denne seneste periode, da Afrika stort set havde antaget sin nuværende form, at en stor opblomstring af kimberlitudbrud bar alle de diamanter, som holdet studerede, op til overfladen. De størknede rester af disse udbrud blev opdaget i 1870'erne, og blev de berømte De Beers-miner. Præcis hvad der fik dem til at bryde ud er stadig en del af puslespillet.

De små diamantindkapslede dråber giver en sjælden måde at forbinde begivenheder, der fandt sted for længe siden på overfladen, med det, der foregik på samme tid langt nede, siger forskerne. "Det fascinerende er, du kan begrænse alle disse forskellige episoder fra væskerne, " sagde Cornelia Class, en geokemiker ved Lamont-Doherty og medforfatter til papiret. "Det sydlige Afrika er et af de bedst undersøgte steder i verden, men vi har meget sjældent været i stand til at se ud over de indirekte indikationer af, hvad der skete der tidligere."

På spørgsmålet om, hvorvidt resultaterne kunne hjælpe geologer med at finde nye diamantaflejringer, Weiss grinede bare. "Sikkert ikke, sagde han. Men, han sagde, metoden kunne anvendes til andre diamantproducerende områder i verden, inklusive Australien, Brasilien, og det nordlige Canada og Rusland, at opklare den dybe historie i disse regioner, og udvikle ny indsigt i, hvordan kontinenter udvikler sig.

"Det er virkelig store spørgsmål, og det vil tage folk lang tid at komme til dem, sagde han. Jeg går på pension, og har stadig ikke afsluttet den tur. Men det her giver os i det mindste nogle nye ideer til, hvordan vi kan finde ud af, hvordan tingene fungerer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.