Úvod
Diamant je uhlík, přeuspořádaný Zemí. Tuto větu je snadné napsat, ale obtížné plně pochopit — protože podmínky nutné k tomuto procesu neexistují nikde v blízkosti povrchu, zahrnují tlaky, které žádná laboratoř nedokáže udržet v geologickém měřítku, a probíhají v časových horizontech měřených miliardami let.
Pochopení vzniku přírodních diamantů není jen geologickou zvědavostí. Vysvětluje, proč jsou diamanty konečné, proč každý kámen nese jedinečný chemický otisk a proč neexistují dvě stejná naleziště na Zemi. Tato věda také jasně rozlišuje mezi přírodními a laboratorně vytvořenými diamanty: oba jsou uhlík, oba jsou diamant — ale jeden zaznamenává miliardy let hlubinné historie Země a druhý hodiny v reaktoru.
Kde diamanty vznikají
Téměř všechny přírodní diamanty šperkové kvality vznikají v kratonické litosférické plášťové vrstvě — v mohutných, starobylých kořenech kontinentů, které sahají 150 až 200 kilometrů pod povrch. Tyto kratony jsou nejstarší a nejstabilnější části kontinentálních desek, některé staré více než 2,5 miliardy let.
V těchto hloubkách podmínky překračují práh, při kterém se atomy uhlíku uzamykají do rigidní tetraedrické mřížky definující diamant. Nad touto zónou je tlak nedostatečný. Pod ní — v hloubkách přesahujících 300 kilometrů — vzniká malý počet takzvaných „superhlubokých" diamantů za ještě extrémnějších podmínek, ty jsou však vzácné a zřídka dosahují šperkové kvality.
Na geografii záleží. Diamanty nejsou rozmístěny náhodně po celé planetě. Vyskytují se téměř výhradně pod starobylými kontinentálními kratony — v jižní a západní Africe, severní Kanadě, na Sibiři, v Indii, Brazílii a Austrálii. Tam, kde je plášťový kořen mladý nebo tenký, diamanty nevznikají.
Teplota a tlak
Stabilitu diamantu řídí dvě proměnné: teplota a tlak. V zóně vzniku diamantů se teploty pohybují od 950 °C do 1 400 °C a tlaky přesahují 4 GPa — zhruba 40 000násobek atmosférického tlaku na úrovni moře.
Tato čísla vymezují pole stability ve fázovém diagramu. Uvnitř tohoto pole se atomy uhlíku uspořádají jako diamant. Mimo něj — například při nižších tlacích — uhlík tvoří grafit. Proto záleží na rychlosti, když se diamanty nakonec přepravují k povrchu: pokud je cesta příliš pomalá, kámen se dříve, než dosáhne chladnější horniny s nižším tlakem, rozloží na grafit. Diamant, který nosíte, přežil, protože se pohyboval dostatečně rychle.
Okno tlaku a teploty je v geologickém smyslu úzké, ale rozprostírá se přes širokou horizontální plochu pod každým kratonem. Proto mohou jednotlivá diamantonosná ložiska obsahovat kameny velmi rozdílného stáří — zóna vzniku přetrvává miliardy let a produkuje diamanty v průběhu mnoha geologických epizod.
Zdroj uhlíku a krystalizace
Diamant neroste z pevné horniny. Krystalizuje z uhlíkových fluid a tavenin, které migrují plášťem — proces, který geologové nazývají metasomatóza. Tyto fluidy bohaté na rozpuštěný uhlík spolu s vodou a oxidem uhličitým pronikají mezerami plášťové horniny. Když se podél cesty fluida změní podmínky tlaku, teploty nebo chemického složení, uhlík se vysráží z roztoku a krystalizuje jako diamant.
Samotný uhlík má dva hlavní původy. Část je primordiální — přítomná v plášti od vzniku Země. Část je recyklovaná: tektonická subdukce desek zavléká povrchový uhlík — z oceánské kůry, sedimentů a organického materiálu — hluboko do pláště, kde se stává dostupným pro růst diamantů. Analýza izotopů uhlíku u jednotlivých diamantů dokáže tyto zdroje rozlišit a poskytnout tak chemický otisk toho, kde a kdy uhlík vstoupil do pláště.
Tento metasomatický proces je pomalý a epizodický. Jednotlivý diamant může růst, pozastavit se a obnovit růst v průběhu milionů let, přičemž zaznamenává měnící se podmínky pláště v soustředných růstových zónách viditelných pod zvětšením.
Hostitelské horniny: peridotit a eklogit
Diamanty vznikají ve dvou hlavních typech plášťových hornin a toto rozlišení je důležité, protože ovlivňuje minerální inkluze uvězněné uvnitř každého kamene.
Peridotit je dominantní hostitelská hornina, tvořící více než 95 % diamantonosného plášťového materiálu objemově. Je hlavní složkou svrchního pláště — hustá hornina bohatá na olivín, která tvoří základ kratonického kořene. Diamanty rostlé v peridotitu typicky obsahují inkluze olivínu, pyropového granátu a chromspinelu.
Eklogit tvoří méně než 5 % hostitelského materiálu diamantů, ale produkuje nepřiměřeně velký podíl větších a kvalitnějších kamenů. Eklogit je hustší než peridotit a vzniká ze subdukované oceánské kůry, která byla v hloubce metamorfována. Diamanty z eklogitu nesou odlišné inkluze — typicky granát a klinopyroxen (omfacit) — a často vykazují izotopové signatury uhlíku odpovídající recyklovanému povrchovému uhlíku.
Rozdíl v hostitelské hornině je na hotovém šperku neviditelný, ale je zapsán v inkluzích diamantu. Tyto minerální fragmenty, zapečetěné uvnitř kamene v době jeho vzniku, jsou jedinými přímými vzorky hlubokého pláště, které má věda k dispozici.
Jak staré jsou diamanty?
Stáří jednotlivých diamantů bylo datováno od přibližně 90 milionů do více než 3,5 miliardy let pomocí radiogenních izotopových systémů — nejčastěji datováním osmium-rhenium u minerálních inkluzí uvězněných uvnitř kamene.
Nejstarší diamanty jsou o více než miliardu let starší než první mnohobuněčný život. Mnohé z diamantů těžených dnes v jižní Africe vznikly během archaického eonu, před více než 2,5 miliardami let. Jiné, z mladších ložisek, vznikly během pozdějších geologických epizod, kdy plášťové fluidy remobilizovaly uhlík pod týmiž kratony.
Stojí za zmínku, že stáří diamantu není totéž co stáří ložiska, ve kterém byl nalezen. Tři miliardy let starý diamant mohl být vynesen na povrch kimberlitovou erupcí teprve před 100 miliony let. Kámen čekal v plášti po většinu historie Země, než se dočkal své cesty na povrch.
Jiné způsoby vzniku diamantů
Zatímco krystalizace v kratonickém plášti produkuje prakticky všechny přírodní diamanty šperkové kvality, v přírodě existují tři další mechanismy vzniku diamantů — žádný však v rozměrech použitelných ve šperkařství.
Subdukční zóny mohou produkovat mikrodiamanty — typicky o velikosti 1 až 80 mikrometrů — když je uhlíkový materiál zahnán do dostatečné hloubky a tlaku. Tyto diamanty mají vědeckou hodnotu, ale jsou daleko příliš malé pro jakékoli praktické využití.
Dopady asteroidů vytvářejí pomíjivé vysokotlaké podmínky v bodě srážky, které přeměňují uhlík v cílové hornině na diamant. Výsledné kameny jsou drobné — zřídka přesahují 2 milimetry — a silně rozpukané.
Meteority občas obsahují nanodiamanty vzniklé ve vesmíru, buď v mezihvězdném prostředí, nebo při šoku planetárních srážek. Měří se v nanometrech a studují se pod elektronovým mikroskopem.
Pro spotřebitele je rozdíl jednoznačný: diamant v prstenu vznikl prvním způsobem — hluboko v plášti, v geologickém čase, pod trvalým tlakem, který žádná povrchová událost nedokáže napodobit.
Shrnutí
Přírodní diamanty jsou produktem trvalých extrémních podmínek hluboko v zemském plášti — uhlík krystalizovaný z migrujících fluid v hloubce 150–200 km, pod tlaky nad 4 GPa a teplotami 950–1 400 °C, ve starobylých kořenech kontinentů. Většina z nich je stará jednu až tři a půl miliardy let. Každý kámen zaznamenává ve své chemii a inkluzích konkrétní plášťové prostředí, ve kterém rostl — geologický archiv zapečetěný v nejtvrdším přírodním materiálu, jaký známe. Pochopení tohoto procesu je základem pro vše ostatní v diamantové vědě: jak se diamanty dostávají na povrch, proč nesou různé barvy a co jejich inkluze odhalují o hlubinách Země.