Fluidi iz kojih dijamanti rastu

Kada se kaže da dijamant raste „u plaštu”, lako je zamisliti čvrstu stijenu u kojoj se kristal samo polako pojavljuje. Stvarni proces mnogo je dinamičniji.

Dokazi iz prirodnih dijamanata pokazuju da su mobilni fluidi i taljevine bogati ugljikom ključni u mnogim dijamantotvornim događajima. Oni prenose ugljik i druge komponente kroz plašt, reagiraju sa stijenom i mogu istodobno uzrokovati rast, promjenu ili otapanje dijamanta.

Što geolozi nazivaju fluidom

U dubokoj Zemlji riječ fluid ne znači nužno razrijeđenu vodenu otopinu poput površinske vode.

Pri visokim tlakovima i temperaturama mobilni medij može biti:

• vodom bogata otopina;
• karbonatna ili karbonatitna taljevina;
• silicijska taljevina;
• slani fluid;
• superkritični medij bez jednostavne granice između tekućine i plina;
• složena smjesa CO₂, H₂O, karbonata, silikata, klorida i drugih komponenti.

Zato je korisnije govoriti o dijamantotvornom mediju nego zamišljati jedan univerzalni fluid.

Kako znamo da su takvi mediji postojali

Najizravniji dokaz daju dijamanti koji su tijekom rasta zarobili vrlo sitne kapljice ili džepiće fluida. Nakon hlađenja i dekompresije prvotni sadržaj može se razdvojiti u više mikroskopskih faza.

Posebno su važni fibrozni dijamanti i fibrozni omotači oko starijih jezgri. Njihov brži rast često zarobljava velik broj mikroinkluzija pa postaju prirodni spremnici dijamantotvornih fluida.

To ne znači da su svi ne-fibrozni dijamanti rasli bez fluida. Čisti monokristalni dijamant može jednostavno sačuvati mnogo manje izravnog materijala iz medija rasta.

[VIZUAL 8.1: Monokristalna jezgra, fibrozni omotač i mreža mikroinkluzija dijamantotvornog fluida]

High-density fluids

U literaturi o fibrozim dijamantima često se koristi izraz high-density fluid (HDF) za mikroinkluzijske medije bogate otopljenim komponentama.

„Visoka gustoća” ovdje ne znači samo veliku fizičku gustoću. Naglasak je na tome da je riječ o kemijski koncentriranom mediju koji može sadržavati znatne količine karbonatnih, silikatnih, slanih i vodenih komponenti.

Mjereni udio vode razlikuje se među populacijama; određeni karbonatno-silikatni HDF-ovi mogu sadržavati vode reda desetaka masenih postotaka. Takve vrijednosti ne smiju se prenositi kao sastav svih dijamantotvornih fluida.

Glavne kompozicijske skupine

Analize mikroinkluzija pokazale su širok kontinuum sastava. U literaturi se često izdvajaju krajnje skupine poput:

• slane — bogate Cl, K, Na i vodom;
• silicijske — relativno bogate Si, Al i alkalijama;
• karbonatitne — bogate karbonatnim komponentama, Ca i/ili Mg;
• prijelazne mješavine između navedenih tipova.

Granice nisu tvrde kao granice mineralnih vrsta. Fluid može mijenjati sastav dok prolazi kroz plašt, otapa minerale, taloži nove faze i reagira s peridotitom ili eklogitom.

Slani krajnji sastavi osobito su važni jer pokazuju da kloridi i voda mogu biti bitan dio dubokog mobilnog medija. Silicijski sastavi ukazuju na veći doprinos silikatnih komponenti, dok karbonatitni sastavi naglašavaju ulogu karbonata i vrlo niskog stupnja taljenja. Međutim, pojedina mikroinkluzija često sadrži današnje kristale koji su se izdvojili iz prvotnog fluida tijekom hlađenja; zato se kemija mora rekonstruirati iz skupa faza, a ne iz jednog zrna.

To je razlog zbog kojeg je korisnije promatrati evoluciju fluida nego stvarati katalog krutih kutija.

Subdukcija može biti izvor mobilnih komponenti

Jedan od najvažnijih rezultata moderne geokemije dijamanata jest dokaz da dio dijamantotvornih fluida nosi tragove materijala koji je prethodno bio blizu Zemljine površine.

U dijamantima iz kanadskog Slave kratona, primjerice, kemijski i izotopski podaci poduprli su model u kojem su vrlo slani fluidi povezani sa subduciranom oceanskom litosferom i potom evoluirali reakcijom s mješovitim peridotitsko-eklogitskim plaštem.

To je snažan primjer dubokog recikliranja vode, soli i ugljika.

Ali je lokalno i populacijski uvjetovan dokaz. Ne smije se pretvoriti u tvrdnju da su svi dijamantotvorni fluidi subdukcijskog podrijetla.

Odakle dolazi ugljik

U dijamantotvornom mediju ugljik može potjecati iz više rezervoara. Stabilni izotopi ugljika u nekim populacijama bliski su tipičnom plaštnom rasponu, dok druge — osobito određene eklogitske populacije — pokazuju šire vrijednosti koje se mogu tumačiti uključivanjem recikliranog materijala.

Takav izotopski signal nije jednostavna oznaka „organsko” ili „anorgansko”. Frakcioniranje tijekom reakcija, taljenja i transporta može promijeniti omjere, a više izvora može se miješati. Zato se izvor ugljika procjenjuje zajedno s mineralogijom, elementima u tragovima i regionalnom geologijom.

Kako fluid izlučuje dijamant

Dijamant kristalizira kada se promijeni ravnoteža ugljikovih vrsta u mobilnom mediju. Više mehanizama može dovesti do taloženja ugljika u obliku dijamanta:

• promjena oksidacijskog stanja;
• reakcija oksidiranih i reduciranih ugljikovih vrsta;
• reakcija fluida s okolnom stijenom;
• hlađenje;
• promjena tlaka;
• miješanje dvaju fluida;
• promjena sastava ili aktivnosti vode i karbonata.

U prirodi se ti procesi mogu kombinirati. Nema potrebe birati jedan univerzalni mehanizam za sve dijamante.

Važno Rast i otapanje dijamanta dva su smjera iste kemijske ravnoteže. Promjena fluida koja u jednom trenutku taloži dijamant može u drugom dovesti do njegove resorpcije.

Redoks reakcije

Ugljik u plaštu može postojati u više oksidacijskih stanja, od reduciranih vrsta poput metana do oksidiranih karbonatnih ili CO₂-komponenti.

Kada fluid prijeđe kroz stijenu drukčijeg redoks kapaciteta, kemijska ravnoteža može se promijeniti dovoljno da se dijamant izluči.

Takav model posebno je važan u raspravama o metasomatizmu kratonskog plašta. Ipak, redoks stanje ne može se rekonstruirati iz boje dijamanta ili jedne inkluzije bez šire kemijske analize.

Fluid ne ostaje isti tijekom putovanja

Dok prolazi kroz plašt, fluid može:

• otapati minerale;
• mijenjati omjere Mg, Ca, Si, K, Na i Cl;
• gubiti ili primati CO₂ i H₂O;
• taložiti karbonate, silikate i dijamant;
• prelaziti iz slanijeg prema silicijskom ili karbonatitnom sastavu;
• miješati se s drugim medijem.

To je metasomatska fronta: kemijski pokretan sustav koji mijenja i fluid i stijenu.

[VIZUAL 8.2: Evolucija dijamantotvornog fluida kroz peridotit/eklogit — transport, reakcija, rast i resorpcija dijamanta]

Primarne i sekundarne inkluzije

Mikroinkluzija zarobljena tijekom rasta može čuvati izravnu informaciju o dijamantotvornom mediju. Materijal koji je kasnije ušao kroz pukotinu ima drukčije značenje.

Zato treba razlikovati:

• rastno povezane inkluzije;
• pseudosekundarne inkluzije povezane s pukotinom koja je nastajala tijekom rasta;
• sekundarne inkluzije nastale nakon glavne kristalizacije.

Prirodna fluidna inkluzija nema veze s umjetnim ispunjavanjem pukotina (fracture filling). Fracture filling je naknadni tretman brušenog ili prirodnog dijamanta i obrađuje se u poglavlju 59.

Što se zapravo analizira

Nakon što je dijamant iznesen na površinu, prvotni fluid više ne mora postojati kao homogena kapljica. Tijekom hlađenja može se razdvojiti u:

• sitne kristale;
• karbonatne ili silikatne faze;
• slanu komponentu;
• vodenu ili plinovitu fazu.

Istraživač zato često rekonstruira bulk sastav prvotnog medija iz mnogo mikroinkluzija i njihovih današnjih produkata.

Koriste se Raman, FTIR, mikro-XRF, LA-ICP-MS, SIMS, elektronske i sinkrotronske metode. Svaka metoda ima drukčiju prostornu rezoluciju, osjetljivost i destruktivnost.

Kod elemenata u tragovima često se ne analizira „jedna kap” u idealnom smislu, nego velik broj mikroinkluzija unutar malog volumena dijamanta. Analitički rezultat zato može biti prostorni prosjek više vrlo sitnih faza. Otvaranje inkluzija nosi i rizik gubitka hlapljivih komponenti ili vanjske kontaminacije. Detaljna metodologija pripada poglavlju 42.

Ograničenja

Najveće opasnosti u tumačenju su:

• ekstrapolirati jednu populaciju na sve dijamante;
• miješati prvotni fluid s mineralima koji su kristalizirali nakon zarobljavanja;
• zanemariti kontaminaciju pri otvaranju inkluzije;
• pretpostaviti da današnji omjer hlapljivih komponenti savršeno čuva izvorni;
• iz sastava fluida izravno izvesti točan rudnik ili jedinstven izvor ugljika.

Fluidna inkluzija je iznimno snažan dokaz, ali nije jednostavna kapsula nepromijenjene tekućine.

Sažetak poglavlja

• Mnogi prirodni dijamanti rastu iz mobilnih ugljikom bogatih fluida ili taljevina.
• „Fluid” u dubokom plaštu nije nužno obična vodena otopina.
• Fibrozni dijamanti i njihovi mikroinkluzijski omotači važni su arhivi dijamantotvornih medija.
• HDF-ovi su kemijski koncentrirani fluidi/taljevine bogati otopljenim komponentama.
• Slani, silicijski i karbonatitni sastavi predstavljaju glavne krajnje skupine, ali između njih postoje prijelazi.
• Fluid može evoluirati reakcijom s peridotitom i eklogitom.
• Subdukcija je dokazani izvor dijela mobilnih komponenti u nekim populacijama, ali nije univerzalno objašnjenje.
• Dijamant može taložiti redoks reakcijom, hlađenjem, miješanjem ili reakcijom fluida sa stijenom.
• Isti sustav može tijekom vremena uzrokovati i rast i otapanje dijamanta.
• Današnje mikroinkluzijske faze nisu nužno identične prvotnom fluidu; često se rekonstruira njihov ukupni sastav.
• Prirodna fluidna inkluzija nije isto što i umjetni fracture filling.
• Zaključci o fluidima moraju ostati vezani uz konkretnu populaciju i metode analize.

[VIZUAL 8.3: Od prvotnog fluida do laboratorijskog zaključka — zarobljavanje → hlađenje/fazno razdvajanje → mikroanaliza → rekonstrukcija bulk sastava]

---