8 Minute
Majoritatea diamantelor naturale ajung la suprafață în interiorul unei roci vulcanice rare, în formă de morcov, numită kimberlit. Modele computerizate noi dezvoltate la Universitatea din Oslo arată cum cantități foarte mici de componente volatice — în principal dioxid de carbon (CO2) și apă (H2O) — schimbă chimia și flotabilitatea kimberlitului, determinând dacă aceste magme de origine profundă pot străpunge scoarța și pot aduce diamantele la suprafață. Aceste simulări combină fizica la scară atomică cu parametri macroscopici (densitate, vâscozitate, difuzivitate), oferind informații esențiale pentru geologii interesați de explorarea diamantelor și de înțelegerea ciclului carbonului în interiorul Pământului.
De ce contează kimberlitele: o fereastră către interiorul profund al Pământului
Kimberlitele sunt neregularități geologice excepționale. Ele se formează ca ţevi înguste care îşi au originea la peste 150 km adâncime, în mantaua terestră, şi erupează exploziv, cu viteze care pot depăşi, în termeni aproximativi, 80 mile pe oră (peste 120 km/h). Datorită faptului că probează zone atât de adânci, kimberlitele transportă fragmente de rocă mantelică şi minerale preţioase — inclusiv diamante — capturate în timpul ascensiunii lor rapide. Astfel, ele devin surse de informaţii directe despre condițiile fizico-chimice din mantaua profundă, despre stabilitatea diamantului față de grafit și despre procesele care guvernează migrația magmei și a volatilor prin litosferă. Pentru geologi, minerit și studiile privind evoluția cratonilor, kimberlitele sunt fereastre privilegiate către procesele profunde ale Pământului.
Modelarea chimiei volatilor: CO2 și apă au roluri diferite
Cercetătorii coordonați de doctoranda Ana Anzulović au folosit dinamica moleculară și modele chimice termodinamice pentru a recrea comportamentul unui topit parental sau proto-kimberlit în timpul ascensiunii prin mantaua superioară și prin scoarță. Ținta simulărilor a fost kimberlitul Jericho, din cratonul Slave al Canadei — un exemplu bine documentat care oferă un studiu de caz realist pentru testarea conținutului de volatili. Prin varierea proporțiilor de CO2 și H2O în topit și urmărirea parametrilor precum densitatea, vâscozitatea și difuzivitatea, echipa a cuantificat bugetul volatil necesar pentru ca o erupție să fie posibilă. Metodologiile folosite includ calcule de solubilitate a gazelor în topit la presiuni mari, estimări ale nucleației și creșterii bulelor și simulări ale transferului de căldură și masă la scară macroscopică, toate integrate pentru a evalua pragurile critice pentru erupție.
Studiul arată că apa și dioxidul de carbon influențează topitul în moduri complementare. Apa mărește difuzivitatea speciilor dizolvate și menține topitul mobil, reducând tendința spre cristalizare prematură; astfel, H2O favorizează păstrarea unei vâscozități scăzute și facilitează transportul rapid al magmei. Dioxidul de carbon, în schimb, structurează topitul la adâncime — reducând densitatea relativă față de peridotita înconjurătoare — și apoi exsolează (degazează) aproape de suprafață, furnizând impulsul exploziv și portanța necesară pentru a propulsa erupția. În termeni simpli: H2O păstrează magma fluidă; CO2 o face flotantă și alimentează explozia. Pe lângă aceste roluri principale, interacțiunile dintre CO2 și H2O influențează solubilitatea minerelelor carbonatate, nucleația bulelor (vesiculația), formarea xenolitelor și compoziția gazelor eruptive — factori esențiali pentru modelarea erupțiilor kimberlitice și pentru prospectarea diamantelor naturale.
Cât CO2 este suficient?
Unul dintre rezultatele cele mai concrete ale lucrării este un prag pentru sistemul Jericho: topitul parental trebuie să conțină cel puțin aproximativ 8,2% CO2 (în masă) pentru a rămâne suficient de flotant și a erupa prin litosfera cratonică groasă. Sub această fracție volatilă, topitul modelat devine mai dens decât mantaua cratonică înconjurătoare și se oprește, ceea ce duce la blocarea diamantelor la adâncime, într-un mediu unde este mai probabil ca acestea să se transforme în grafit. Acest prag nu este universal; el depinde de parametrii locali precum compoziția peridotitei (densitate, anizotropie minerală), gradientul geotermal, presiunea litosferică și starea tectonică a cratonului. Totuși, pragul oferă o valoare practică pentru modelarea și evaluarea potențialului unui topit de a genera un chimbley sau un conductor eruptiv capabil să transporte material din mantaua adâncă până la suprafață.
Chiar și cu un conținut moderat de CO2, topitul poate încorpora cantități remarcabile de fragmente din mantal: cel mai volatil-rich model al cercetătorilor a transportat până la 44% peridotită mantelică entrapată sub formă de xenolituri și xenocriști. Termenii „xenolit” (fragment de rocă încorporat, nezuplinit) și „xenocrist” (cristal preexistent încorporat în topit) ilustrează modul în care magmele kimberlitice pot include componente solide din mantaua profundă. Această combinație între vâscozitate scăzută (care permite fluxul rapid) și flotabilitate condusă de volatili (care permite ridicarea) explică de ce erupțiile kimberlitice sunt atât de rapide și atât de violent explozive; echilibrul critic între aceste efecte determină dacă un topit va staționa, va reacționa chimic și va cristaliza sau va degaja rapid gaze și va forța o cale până la suprafață.
De ce este importantă ascensiunea rapidă pentru diamante
Stabilitatea diamantului depinde în principal de presiune și temperatură. La adâncimi mantelică, diamantele sunt stabile; însă pe măsură ce condițiile devin mai puțin presurizate și relativ mai calde — comparativ cu grafitul — există riscul transformării diamantului în grafit. Cinética transformării depinde de temperatură, de prezența fluideor și de timpul petrecut în zona instabilă. Rata de ascensiune a kimberlitului este crucială: un kimberlit încărcat cu volatili și care urcă rapid poate transporta diamantele la suprafață înainte ca acestea să se convertească în grafit. Această dinamică explică observația empirică că peste 70% din diamantele naturale exploatate provin din depozite găzduite în kimberlite. În plus, compoziția gazelor eruptive, gradul de exsoluție și viteza ascensiunii au efect direct asupra integrității cristalelor de diamant, asupra frecvenței fracturilor induse și asupra probabilității ca diamante multi-tectonice să rămână nedeteriorate.
Mina de diamante
Implicații mai largi și direcții viitoare de cercetare
Abordarea de modelare descrisă aici leagă interacțiunile la scară atomistică de procese geologice la scară largă. Prin restrângerea proporțiilor de volatili din topiturile parentale, oamenii de știință pot prezice mai bine care evenimente magmatice antice au avut capacitatea de a aduce material din mantaua adâncă la suprafață. Aceasta are implicații dincolo de mineritul de diamante: explică modul în care magmele bogate în volatili transportă carbonul profund către scoarță și atmosferă, influențează evoluția cratonilor (stabilizarea sau reîmprospătarea litosferei), și clarifică de ce erupțiile kimberlitice sunt atât de rare din punct de vedere spațial și temporal. În fond, înțelegerea acestor procese ajută la reconstruirea ciclului global al carbonului, la identificarea surselor profunde de carbon și la modelarea impactului erupțiilor profunde asupra compoziției atmosferei pe termen geologic.
Studii viitoare vor combina probabil simulări avansate cu analize geochimice detaliate ale xenoliturilor kimberlitice și cu lucrări izotopice (ex.: izotope de carbon, oxigen, strontiu, neodim și plumb) pentru a rafina estimările volatilor în diferite cratoane. Astfel de constrângeri îmbunătățite ar putea sprijini explorarea minerală, evidențiind ferestrele presiune-temperatur-volatili cele mai favorabile pentru erupțiile care pot produce depozite purtătoare de diamante. De asemenea, integrarea datelor seismice, gravimetrice și petrologice poate ajuta la localizarea sistemelor de magmă profundă susceptibile de a genera kimberlite eruptive, sporind eficiența prospecțiunilor și reducând impactul explorării asupra mediului.
Opinia expertului
„Modelarea ne oferă veriga lipsă între ceea ce observăm la suprafață și chimia invizibilă de la adâncime”, spune dr. Evelyn Mercer, petrolog care nu a fost implicată în studiu. „Cuantificarea bugetului de CO2 și H2O arată de ce doar câteva topituri devin kimberlite eruptive — majoritatea topiturilor se opresc și cristalizează cu mult înainte de a ajunge în crustă.”
Rezultatele subliniază o realitate mai amplă despre dinamica Terrei: schimbări mici în compoziție — doar câteva procente de volatili — pot controla evenimente spectaculoase care modelează planeta. Pentru kimberlite, amestecul potrivit de CO2 și apă transformă un topit obișnuit într‑un „lift” exploziv, deschizând temporar un canal între mantaua profundă a planetei și suprafața sa. Aceste perspective sunt importante nu doar pentru geochimiști sau petrologi, ci și pentru specialiștii în explorare, pentru cei interesați de securitatea resurselor minerale și pentru înțelegerea pe termen lung a cyclelor geo-biotice ale carbonului.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu