Quá trình kim cương xuất hiện trên mặt đất

Khi tìm hiểu những kiến thức cơ bản về quá trình và nơi thành tạo của kim cương chúng ta thấy rằng sẽ không có cách nào tiếp cận trực tiếp kim cương trừ khi quá trình thiên nhiên mang kim cương lên mặt đất. Nếu quá trình thiên nhiên không mang kim cương lên mặt đất thì nó sẽ vẫn mãi mãi ở trong lớp manti của trái đất.

Hình 1: Trái đất gồm 3 phần chính: vỏ, manti và lõi. Vỏ trái đất rất mỏng so với manti và lõi.

Sau khi đã thành tạo cách đây hàng trăm triệu năm nếu gặp điều kiện phù hợp thì kim cương nằm trong manti có thể được mang lên mặt đất. Quá trình mang lên này diễn ra nhanh chóng bởi vì kim cương đang ở trong điều kiện nhiệt độ rất cao ở manti nếu trải qua một thời gian dài dưới điều kiện áp suất giảm liên tục trong lúc vận chuyển thì sẽ không tồn tại được.

SỰ VẬN CHUYỂN VÀ PHÓNG THÍCH KIM CƯƠNG (TRANSPORT AND DELIVERY)

Những tích tụ kim cương được phát hiện trong hai loại đá: kimberlite và lamproite. Thành phần khoáng vật và thành phần hóa học của hai loại đá này tương tự nhau. Điểm khác nhau chính giữa hai loại đá này nằm ở chỗ, trong khi kimberlite có khuynh hướng xuất hiện ở giữa craton thì lamproite lại được phát hiện phổ biến ở rìa hoặc những khu vực xung quang rìa craton. Mỏ Argle ở Australia là một trong những tích tụ lamproite chứa kim cương điển hình trên thế giới

Hình 2: Bên dưới craton có nhiệt độ và áp suất phù hợp cho sự thành tạo kim cương và cũng đủ ổn định để bảo quản kim cương hàng trăm triệu năm sau khi thành tạo.

Dung nham Kimberlite và lamproite được đẩy lên bề mặt đặt cách đây hàng tỷ năm và đôi khi chứa kim cương. Quá trình vật liệu được đưa lên mặt đất có chứa hoặc không chứa kim cương được gọi là sự tích tụ (emplacement). Tích tụ chứa kim cương đầu tiên xuất hiện cách đây hơn 2,5 tỷ năm và tích tụ trẻ nhất có thể cách đây khoảng 20 triệu năm.

Điều quan trọng cần nhớ là kim cương chất lượng ngọc (gem-quality diamond) không được thành tạo trong kimberlite và lamproite. Hai loại đá này chỉ có nhiệm vụ là mang kim cương đã thành tạo trong manti lên bề mặt đất. Điều này được các nhà khoa học chứng minh bằng việc xác định tuổi của kim cương già hơn tuổi của đá kimberlite và lamproite hàng triệu hoặc hàng tỷ năm.

Nguồn nhiệt bên trong trái đất giúp cho một phần lớp manti luôn ở trạng thái nóng chảy hoặc chảy lỏng. Vật liệu đá nóng chảy (được gọi là magma) sẽ giãn nở khi nóng lên và nổi lên trên, tương tự như không khí sẽ nổi lên trên trần nhà khi nhiệt độ trong phòng nóng lên. Khi magma nổi lên cao nó bắt đầu nguội lạnh, co lại, nặng hơn và chìm xuống trở lại. Khi hạ xuống nó lại nóng lên và bắt đầu một chu trình mới. Chu trình nóng lên nguội lạnh, nổi lên rơi xuống này lặp đi lặp lại đều đặn bên trong manti được gọi là dòng đối lưu (convection currents). Những dòng đối lưu này giúp cho lớp nóng chảy của manti luôn ở trạng thái dao động liên tục.

Nếu hỗn hợp những nguyên tố hóa học phù hợp thì magma sẽ tạo thành kimberlite hoặc lamproite. Khi magma này nổi lên nếu gặp một khe nứt sâu trong vỏ trái đất nó sẽ tiếp tục di chuyển lên trên. Và nếu quá trình nổi lên của kimberlite hoặc lamprote đi ngang qua khu vực có chứa kim cương trong manti thì nó sẽ cuốn theo kim cương và mang lên mặt đất.

Trong quá trình magma di chuyển lên trên mặt đất áp suất sẽ liên tục giảm. Áp suất càng giảm thì magma di chuyển với vận tốc càng nhanh và khi gần đến mặt đất nó sẽ đạt vận tốc khoảng 300 km/giờ. Áp suất giảm cũng làm cho một phần dung dịch magma giãn nở thành khí (gồm hơi nước và carbon dioxide). Cơ chế này tương tự như khi lắc mạnh và bật nắp chai rượu champagne.

Sự kết hợp giữa vận tốc nhanh và sự giãn nở khí là nguồn năng lượng đủ lớn để tạo ra quá trình phun nổ núi lửa. Khi dòng magma kimberlite đi xuyên qua vỏ trái đất nó hình thành một thành tạo núi lửa dạng quả cà-rốt (carrot) được gọi là pipe. Lamproite cũng tương tự nhưng pipe của nó lại giống cây nấm (mushroom).

Hình 3: Kim cương có thể chờ hàng triệu năm (1) trước khi núi lửa phun nổ mang chúng lên mặt đất (2). Kết

Sự giãn nở khí và vận tốc di chuyển là hai nhân tố rất quan trọng đến sự tồn tại của kim cương khi đi lên mặt đất. Sự kết hợp này giúp kim cương không bị biến đổi thành graphite, điều này sẽ xảy ra khi kim cương nằm quá lâu dưới điều kiện nhiệt độ cao và áp suất giảm trong một khoảng thời gian dài khi đi chuyển lên trên. Thực tế trong một số mỏ, các nhà địa chất đã phát hiện một số graphite có dạng tinh thể kim cương, nguyên nhân là do điều kiện nhiệt độ và áp suất thay đổi trong quá trình di chuyển lên trên đã biến đổi kim cương thành graphite.

XUẤT HIỆN TRÊN MẶT ĐẤT

Kimberlite hoặc lamproite không chảy tràn ra khỏi pipe giống như dung nham của những loại núi lửa phun trào mà nó phun nổ. Nó có thể hóa rắn ngay khi còn rất nóng vì vậy khi gần đến bề mặt nó đã chuyển từ thể lỏng thành thể rắn. Vật liệu của sự phun nổ là hỗn hợp đá cứng, tro và khí. Sau khi bay lên không trung hầu hết vật liệu này sẽ rơi trở lại vào trong pipe. Kết thúc quá trình phun nổ sẽ để lại một pipe sâu chứa kim cương và một miệng núi lửa nông (crater).

Hình 4: Mô hình chuẩn của một kimberlite pipe (hình trái) và hai kimberlite pipe tại mỏ Diavik – Canada (hình phải).

Đôi khi – có thể hàng triệu năm sau – tích tụ kim cương mới có thể xuất hiện bên trong pipe cũ. Thực tế có thể có vài tích tụ xuất hiện trong cùng một pipe. Kim cương của những tích tụ mới sẽ có những đặc điểm hơi khác so với những tích tụ trước đó.

Kimberlite thì phổ biến, năm 1990 người ta đã phát hiện khoảng 6,000 pipe chứa kimberlite trên toàn thế giới, nhưng chưa đến 1,000 trong số này chứa kim cương. Trong số đó, chỉ khoảng 50 pipe chứa đủ hàm lượng kim cương để khai thác mang lại hiệu qua kinh tế và khoảng 20 pipe vẫn còn hoạt động đến ngày nay. Với số liệu thống kê trên sẽ không có gì lạ khi kim cương được xem là vật liệu quý và hiếm nhất trên trái đất.

Tìm hiểu về quá trình thành tạo và tích tụ của kim cương giúp chúng ta nhận ra rằng kim cương là một món quà tuyệt vời mà thiên nhiên ban tặng. Những kiến thức này sẽ làm phong phú kiến thức và nhận thức về kim cương bất kể chúng ta đang làm trong lĩnh vực nào của ngành kim cương.

Nguồn: GIA Diamond&Diamond Grading Course và Gem&Gemology Journal