Kimberlit: Tajemnice Diamentonośnych Skał", "kategoria": "Geologia

Kimberlit to niezwykła skała magmowa, której nazwa pochodzi od słynnej kopalni diamentów w Kimberley w Republice Południowej Afryki. Jest to skała o ogromnym znaczeniu ekonomicznym, ponieważ stanowi główne źródło pierwotnych złóż diamentów. Jej unikalne właściwości i złożona historia powstawania sprawiają, że jest obiektem intensywnych badań geologicznych na całym świecie. Zrozumienie, czym jest kimberlit, gdzie występuje i jak powstaje, jest kluczowe dla poszukiwaczy i badaczy diamentów.

Gdzie w USA występuje kimberlit?

Stany Zjednoczone, choć nie są tak znane z wydobycia diamentów jak inne regiony świata, posiadają intrygujące złoża kimberlitu i innych skał diamentonośnych. Do tej pory diamenty zostały wydobyte in situ, czyli bezpośrednio z miejsca ich powstania w kimberlicie, w obszarze granicznym stanu Kolorado i Wyoming (Colorado-Wyoming State Line) oraz z kimberlitu w Michigan. To świadczy o potencjale tych regionów dla przyszłych odkryć.

Ponadto, diamenty odnotowano również w lamproitach w Arkansas. Lamproity to inna grupa skał magmowych, które, podobnie jak kimberlity, mogą przenosić diamenty z głębokich warstw Ziemi. Co więcej, diamenty zarejestrowano w kimberlicie w Kansas, a także w perydotytach w Nowym Jorku i Maryland. Te różnorodne lokalizacje podkreślają złożoność geologii diamentonośnej w USA i wskazują na szeroki zakres potencjalnych miejsc występowania tych cennych minerałów.

Jak rozpoznać kimberlit?

Rozpoznanie kimberlitu w terenie może być wyzwaniem, zwłaszcza dla niewprawionego oka, ale istnieją pewne charakterystyczne cechy, które mogą pomóc w identyfikacji. Jedną z najbardziej uderzających wizualnie właściwości jest jego kolor. Kimberlit często przyjmuje jasny, szmaragdowozielony odcień, co czyni go stosunkowo łatwym do odróżnienia od innych skał. Ten charakterystyczny kolor często wynika z obecności minerałów takich jak serpentyn, który powstaje w wyniku hydrotermalnej zmiany oliwinu i innych minerałów magnezowych.

Kolejną ważną cechą jest morfologia ziarna. Kimberlit charakteryzuje się bryłowatymi, prostokątnymi ziarnami, które często mają płaskie, gładkie powierzchnie. Ta nierównoziarnista tekstura, wynikająca z obecności dużych makrokryształów (lub megakryształów) osadzonych w drobnoziarnistej matrycy, jest kluczowym elementem diagnostycznym. Przykładowo, pikroilmenit, minerał często występujący w kimberlicie, może być widoczny w postaci takich właśnie bryłowatych ziaren, jak te odnalezione w kimberlicie Aultman 1.

Właściwości i klasyfikacja kimberlitów

Kimberlity to niezwykle złożone skały magmowe, które powstają w głębokich warstwach płaszcza Ziemi i wznoszą się na powierzchnię w wyniku gwałtownych erupcji. Są one wysoce magnezowe (z zawartością MgO przekraczającą 25% wagowych) i wzbogacone w substancje lotne, takie jak woda, dwutlenek węgla i fluor. Zawierają również anomalnie wysokie stężenia pierwiastków takich jak K, Na, Ba, Sr, pierwiastki ziem rzadkich, Ti, Zr, Nb i P. W uproszczeniu, kimberlity stanowią hybrydową grupę skał, które obejmują bogate w substancje lotne (dominująco CO2) potasowe, ultrabazowe skały, charakteryzujące się wyraźną nierównoziarnistą teksturą.

Ze względu na dużą różnorodność cech teksturalnych, mineralogicznych, petrograficznych i geochemicznych, zaproponowano wiele definicji i klasyfikacji kimberlitów. Jednym z ważniejszych modeli jest ten zaproponowany przez Clementa i Skinnera (1979), który opiera się na cechach teksturalnych i identyfikuje trzy genetyczne facje skał kimberlitowych: fację kraterową, fację diatrema i fację hipabysalną.

• Facja kraterowa: Charakteryzuje się morfologią powierzchni z kraterem o średnicy do 2 km i głębokości 150-300 m, otoczonym niewielkim pierścieniem tufowym (zazwyczaj poniżej 30 m wysokości). Skały tej facji są piroklastyczne (powstałe w wyniku sił erupcyjnych) lub epiklastyczne (przerobione przez wodę materiały piroklastyczne) i wyróżniają się sedymentacją warstwową. Przykłady obejmują Wzgórza Igwissi w Tanzanii, gdzie zachowały się dobrze warstwowane tufy.
• Facja diatrema: Jest to typowa dla kimberlitu struktura w kształcie marchewki, o niemal okrągłym lub eliptycznym zarysie na powierzchni i stromo opadających ścianach (80°-85°), sięgających niekiedy ponad 2 km głębokości. Charakteryzuje się fragmentacyjnym charakterem i obecnością kanciastych do zaokrąglonych fragmentów skał otaczających (od kilku centymetrów do rozmiarów submikroskopowych). Składa się z autolitów (zaokrąglonych fragmentów wcześniejszych generacji kimberlitu), lapilli pelletalnych oraz pofragmentowanych ksenolitów płaszcza (np. oliwin, granat, klinopiroksen, ilmenit).
• Facja hipabysalna: Skały tej facji powstają w wyniku krystalizacji bogatej w substancje lotne magmy kimberlitowej. Makroskopowo są to masywne skały, w których widoczne są makrokryształy oliwinu i innych minerałów (ilmenit, flogopit, granat). Wykazują tekstury magmowe i efekty różnicowania magmowego. Charakterystyczne cechy to brak fragmentów i tekstur piroklastycznych, obecność późnego poikilitycznego wzrostu flogopitu, tekstury segregacyjne z kalcytem i serpentynem oraz banding przepływowy.

Inna klasyfikacja, oparta na różnicach w składzie izotopowym, dzieli kimberlity na dwie grupy: Grupę I i Grupę II (Smith, 1983).

• Grupa I: Obejmuje klasyczne kimberlity, pierwotnie nazywane bazaltowymi kimberlitami. Są to skały ultrazasadowe (SiO2 < 45% wag.), potasowe (stosunek atomowy K/Na > 1), bogate w substancje lotne (głównie CO2). Charakteryzują się obecnością makro- i megakryształów minerałów bogatych w magnez, takich jak oliwin, ilmenit, granat piropowy, diopsyd bogaty w chrom, flogopit, enstatyt i chromit ubogi w Ti, osadzonych w drobnoziarnistej matrycy oliwinu, serpentynu, węglanów i innych akcesorycznych minerałów bogatych w Mg i/lub Ca. Zarówno makro-, jak i megakryształy są przynajmniej częściowo ksenokryształami, czyli przypadkowymi składnikami krystalicznymi pochodzącymi z rozpadu skał otaczających (głównie głębokich perydotytów płaszcza i eklogitów) przeciętych przez wznoszącą się magmę kimberlitową.
• Grupa II: Pierwotnie nazywane mikaśnymi lub lamprofirycznymi kimberlitami. Są to skały ultrapotasowe (K/Na > 3), peralkaliczne ([K + Na]/Al > 1), bogate w substancje lotne (głównie H2O). Charakteryzują się obecnością flogopitu i oliwinu jako makrokryształów w matrycy złożonej z flogopitu, oliwinu i diopsydu (często strefowego do tytanowego egirynu), spinelu (od chromitu z Mg do magnetytu z Ti), perowskitu i innych minerałów. Wykazują większe powinowactwo mineralogiczne z lamproitami niż z kimberlitami Grupy I.

Rozmieszczenie kimberlitów na świecie i reguła Clifforda

Kimberlity występują na wszystkich kontynentach świata. Na podstawie wzorców ich rozmieszczenia Clifford (1966) zauważył, że ekonomicznie opłacalne kimberlity występują przede wszystkim na kratonach prekambryjskich, zwłaszcza tych o wieku archaiku (starszych niż około 2,5 mld lat). To spostrzeżenie stało się później znane jako Reguła Clifforda. Nie są znane pierwotne złoża diamentów w terranach skorupowych młodszych niż 1,6 mld lat. To osobliwe skojarzenie sugeruje związek między obecnością diamentów a wiekiem litosfery subkontynentalnej, a Reguła Clifforda od dawna jest uważana za cenne kryterium selekcji w programach poszukiwania diamentów. Warto zauważyć, że kimberlity diamentonośne są zazwyczaj młode w porównaniu z wiekiem litosfery, w którą intruzywały. Wiele z nich (w tym większość przykładów z RPA) pochodzi z kredy, wiele innych z paleozoiku (jak w Republice Sachy na Syberii), ale cały zakres rozciąga się od proterozoiku do neogenu (np. niektóre 22 mln lat stare przykłady w Zachodniej Australii).

Modele emplacementu kimberlitów

Na przestrzeni lat zaproponowano różne modele powstawania rur kimberlitowych, co świadczy o złożoności tego procesu. Należą do nich: teoria wybuchowego wiercenia, teoria fluidyzacji, teoria hydro-wulkaniczna oraz teoria rur embrionalnych. Złożona struktura rur kimberlitowych wskazuje, że żaden pojedynczy proces nie jest odpowiedzialny za ich powstanie.

• Teoria wybuchowego wiercenia: Pierwotnie zakładano, że kimberlity powstają w wyniku gwałtownych erupcji z głębokości do 2 km, spowodowanych eksplozją silnie sprężonych par i gazów magmowych. Jednak obszerne badania górnicze wykazały, że ta teoria jest nie do utrzymania. Brak jest dowodów na silną intruzję, brak centrów eksplozji na głębokości, brak komór pośrednich, a także niezgodność z rozmieszczeniem ksenolitów i zachowaniem stratygrafii skał otaczających.
• Teoria fluidyzacji: Głównym zwolennikiem był Dawson (1962, 1967a, 1971, 1980), który uważał, że rozmieszczenie, zaokrąglenie i prążkowanie inkluzji, zestawienie ksenolitów z różnych głębokości, zaokrąglenie i częściowe odłączenie bloków skał otaczających, brak wypiętrzeń i brak efektów metamorfizmu termicznego można wyjaśnić jedynie tym procesem. Zakłada ona, że magma kimberlitowa, nasycona gazem, wznosi się z górnego płaszcza przez system szczelin. Na odpowiednich punktach osłabienia skorupy dochodzi do przebicia na powierzchnię z głębokości 2-3 km. Jednak krytycy tej teorii argumentują, że jest mało prawdopodobne, aby wysokie ciśnienia par i duże objętości gazów wydzieliły się ze wolno stygnących magm głęboko w skorupie. Większość klastów ksenolitowych jest kanciasta i nie wykazuje śladów ścierania.
• Teoria hydro-wulkaniczna: Odnosi się do zjawisk wulkanicznych wywołanych interakcją magmy lub ciepła magmowego z zewnętrznym źródłem wody (np. zbiornikiem powierzchniowym lub warstwą wodonośną). Lorenz (1999) jest głównym zwolennikiem tej teorii, proponując, że diatremy i maary tworzą się w hydraulicznie aktywnych strefach osłabienia strukturalnego, takich jak uskoki. Wznosząca się jako dajka magma wchodzi w kontakt z krążącymi wodami gruntowymi; wynikająca z tego eksplozja hydro-wulkaniczna fragmentuje i ochładza magmę oraz brekcjuje skały otaczające. Ta hipoteza jest atrakcyjna, ponieważ wyjaśnia wiele cech diatrem kimberlitowych, takich jak ich związek z liniowymi strukturami, występowanie w grupach i obecność epiklastycznego kimberlitu.
• Teoria rur embrionalnych: Clement (1979, 1982) uważa, że żaden pojedynczy proces nie może wyjaśnić różnorodnych cech geologicznych i petrograficznych rur kimberlitowych. W jego modelu strefy korzeniowe są interpretowane jako rury embrionalne, które są modyfikowane przez fluidyzację po przebiciu się na powierzchnię w diatremy. Zakłada się, że dajki magmy kimberlitowej wznoszące się z głębokości rozwijają prekursorską fazę lotną w wyniku wydzielania się CO2. Ta faza lotna, będąc pod wysokim ciśnieniem, penetruje szczeliny w skałach otaczających.

Petrogeneza kimberlitów

Mimo obszernych badań, pochodzenie kimberlitów pozostaje kontrowersyjne, zwłaszcza jeśli chodzi o naturę i głębokość ich obszaru źródłowego. Kimberlity są charakterystycznie związane z zespołem maficznych i ultramaficznych ksenolitów, których mineralogia wskazuje na pochodzenie z górnego płaszcza. Takie ksenolity to fragmenty skał ścianowych kanału, odłączone przez magmę kimberlitową podczas jej szybkiego wznoszenia się przez litosferę, i stanowią one użyteczne ograniczenia dotyczące miejsca i warunków, w jakich stop kimberlitowy powstał. Uważa się, że magmy kimberlitowe tworzą się w wyniku częściowego topnienia głęboko w płaszczu.

Kimberlity, podobnie jak karbonatyty, są rzadkie, ale zostały znalezione na prawie każdym kontynencie i są również głównym transporterem różnorodnych ksenolitów z głębokości skorupy i płaszcza. Co ważne, te ksenolity płaszcza wyniesione przez kimberlity są głównym źródłem informacji na temat natury procesów fizykochemicznych w płaszczu, a tym bardziej w płaszczu kontynentalnym (Pearson et al., 2004).

Istnieją trzy ogólne typy hipotez dotyczących genezy kimberlitów:

1. Kimberlity są mechaniczną mieszaniną bogatej w H2O magmy ankerytowej i granitowej dolnej skorupy (Dawson, 1967).
2. Kimberlity powstały bezpośrednio z częściowego topnienia, pod wysokim ciśnieniem, maficznego do ultramaficznego płaszcza (Wagner, 1929; Holmes, 1936).
3. Kimberlity powstają w wyniku wysokociśnieniowego różnicowania magmy maficznej (proto-kimberlitu) w procesie ciągłej krystalizacji frakcyjnej (Williams, 1932; O'Hara, 1968).

Skojarzenie geologiczne kimberlitów z określonymi zespołami ksenolitów oraz porównanie z danymi eksperymentalnymi wspierają ostatnią hipotezę (nr 3). Początkowy stop, czyli proto-kimberlit, jest przypuszczalnie płynem bogatym w chlorki i węglany, o bardzo niskiej zawartości SiO2. Podczas jego wznoszenia się w kierunku powierzchni, jego skład staje się bardziej podobny do magmy kimberlitowej w wyniku interakcji ze skałami otaczającymi płaszcza: asymilacja oliwinu i innych minerałów płaszcza zwiększa zawartość krzemionki w płynie, kierując go w stronę niskiego SiO2 i wysokiego MgO, charakterystycznego dla kimberlitu.

Diamenty i kimberlity

Kimberlity są najważniejszym źródłem pierwotnych diamentów. Wiele rur kimberlitowych wytwarza również bogate złoża diamentów aluwialnych lub eluwialnych. Na świecie odkryto około 6400 rur kimberlitowych, z czego około 900 sklasyfikowano jako diamentonośne, a zaledwie nieco ponad 30 było wystarczająco ekonomicznych, aby prowadzić wydobycie diamentów.

Chociaż kryształy diamentów znajdują się w kimberlicie i pokrewnych skałach, pochodzenie diamentów jest ściślej związane z fragmentami perydotytu i eklogitu, które pochodzą z górnego płaszcza, pod obszarami kratonicznymi (tarczowymi). Aby diamenty mogły się uformować, wymagają ekstremalnie wysokich ciśnień i temperatur, które występują tylko na tych głębokich poziomach Ziemi. To właśnie tam tworzy się skała eklogit, składająca się z czerwonego granatu piropowego i zielonego klinopiroksenu; kryształy diamentów rozwijają się obok kryształów granatu i piroksenu. Fragmenty perydotytu (ksenolity) złożone z granatu, oliwinu i ortopiroksenu również zawierają diamenty i podobnie pochodzą z górnego płaszcza.

Kryształy diamentów, choć powstają w górnym płaszczu pod obszarami kratonicznymi, mogą pozostać stabilne tylko w tych wysokich ciśnieniach i temperaturach. Ksenolity płaszcza i kryształy diamentów, które są szybko wyniesione na powierzchnię w magmowym płynie kimberlitowym, są w stanie przetrwać blisko powierzchni w stanie schłodzonym lub metastable. Jeśli intruzja kimberlitu jest opóźniona podczas wznoszenia się na powierzchnię lub zostaje uwięziona w dolnej skorupie, kryształy diamentów nie będą stabilne w środowisku P-T i powrócą do grafitu.

To właśnie pod obszarami tarczowymi, czyli kratonami, kryształy diamentów mogą pozostać stabilne na płytszych głębokościach, dzięki niskiemu gradientowi geotermicznemu związanemu z podkratonowym kilem pod skorupą kontynentalną. To środowisko P-T zostało nazwane „obszarem przechowywania diamentów” (Kirkley, M. B. et al., 1991). Obszar kilu jest optymalnym źródłem diamentów, ponieważ szczeliny pod kratonem są bardziej narażone na dotarcie do tego obszaru i pozostają dostępne dla powierzchni.

Tabela porównawcza facji kimberlitu

Cecha	Facja kraterowa	Facja diatrema	Facja hipabysalna
Lokalizacja	Najpłytsza, powierzchnia	Poniżej krateru, kształt marchewki	Głębiej, poniżej diatremy, strefa korzeniowa
Charakterystyczne skały	Piroklastyczne, epiklastyczne, warstwowane tufy	Fragmentacyjne brekcje, ksenolity, autolity	Masywne skały magmowe, duże kryształy
Tekstura	Warstwowa, osadowa	Fragmentacyjna, brekcjowata	Masywna, magmowa, nierównoziarnista
Wydobycie diamentów	Możliwe, ale złoża często wtórne (aluwialne)	Główne źródło pierwotnych diamentów	Możliwe, ale rzadziej bezpośrednio wydobywane

Najczęściej Zadawane Pytania (FAQ)

1. Czy wszystkie kimberlity zawierają diamenty?
Nie, nie wszystkie kimberlity są diamentonośne. Spośród około 6400 odkrytych rur kimberlitowych na świecie, tylko około 900 sklasyfikowano jako diamentonośne, a zaledwie nieco ponad 30 było wystarczająco ekonomicznych, aby prowadzić wydobycie diamentów.

2. Jak szybko kimberlit wyniósł diamenty na powierzchnię?
Szybkie wznoszenie się magmy kimberlitowej z głębokich warstw płaszcza jest kluczowe dla zachowania diamentów. Jeśli proces ten jest zbyt wolny lub magma zostaje uwięziona w niższych warstwach skorupy, diamenty mogą powrócić do stabilnej formy grafitu ze względu na niższe ciśnienie i temperaturę.

3. Czym różni się kimberlit od lamproitu?
Obie skały są diamentonośnymi skałami magmowymi, ale różnią się składem mineralogicznym i chemicznym. Kimberlity (zwłaszcza Grupa I) są ultrabazowe, bogate w CO2, podczas gdy lamproity i kimberlity Grupy II są ultrapotasowe i często bogatsze w H2O. Lamproity częściej zawierają flogopit i minerały tytanowe.

4. Dlaczego diamenty znajdują się głównie w kratonach?
Diamenty powstają w górnym płaszczu w warunkach ekstremalnie wysokich ciśnień i temperatur. Kratony, czyli stabilne i bardzo stare fragmenty skorupy kontynentalnej, posiadają tzw. „kil podkratonowy” – głębokie korzenie litosferyczne, gdzie panuje niższy gradient geotermiczny. Dzięki temu diamenty mogą pozostać stabilne na płytszych głębokościach i być przenoszone na powierzchnię przez kimberlity.

5. Czy kimberlit jest rzadką skałą?
W porównaniu z innymi skałami magmowymi, kimberlity są stosunkowo rzadkie. Ich występowanie jest ograniczone do specyficznych regionów geologicznych, głównie do starych kratonów kontynentalnych, co czyni je unikalnymi i cennymi dla geologów i przemysłu diamentowego.

Zainteresował Cię artykuł Kimberlit: Tajemnice Diamentonośnych Skał", "kategoria": "Geologia? Zajrzyj też do kategorii Ceramika, znajdziesz tam więcej podobnych treści!