Diamanti nella crosta continentale subdotta Diamonds in subducted

Bollettino della Comunità Scientifica in Australasia
Ambasciata d’Italia
Settembre 2002
CANBERRA
Diamanti nella crosta
continentale subdotta
Diamonds in subducted
continental crust
Jörg Hermann
Jörg Hermann
Il diamante è il carbonio nella sua forma
più densa e rappresenta il materiale più
duro conosciuto sulla Terra. Affinché si
possa ottenere quest’ammasso di atomi di
carbonio, ci vogliono pressioni oltre i 40
kbar. Tali pressioni equivalenti a 40000
volte
quelle
dell’atmosfera
si
raggiungono a profondità di 120 km
nell’interno della Terra. I diamanti sono
estremamente rari perché necessitano di
un materiale di trasporto per portarli sulla
superficie terrestre. Ad una profondità di
120 km, predominano rocce mantelliche
che sono generalmente parzialmente fuse
e costituiscono l’astenosfera. Solamente
al di sotto di vecchia crosta continentale,
come per esempio in Australia e
nell’Africa del Sud, le rocce mantelliche
hanno avuto abbastanza tempo per
raffredarsi e solidificarsi completamente
a queste profondità. Un mantello è
comunque essenziale per il trasporto dei
diamanti
alla
superficie.
Magma
esplosivi (lamproiti e kimberliti) che
hanno origine ad una profondità di 150200 km sono capaci di portare in periodi
molto brevi le rocce che trasportano i
diamanti attraverso il mantello solido. Per
questi motivi, l’esplorazione per i
diamanti si è sino ad ora concentrata sulla
ricerca di kimberliti e lamproiti nei
vecchi continenti.
Circa 15 anni fa, è stata scoperta la
presenza di diamanti in condizioni
completamente nuove. Geologi russi
hanno trovato micro-diamanti (grandezza
media di 20µm) dentro gli gneiss del
massiccio di Kokchetav nel Kazakhstan
Diamond is carbon in its densest form
and represents the hardest material
known on Earth. In order to obtain this
dense packing of carbon atoms,
pressures exceeding 40 kbar are
required.
Such
pressures
corresponding to 40000 times the
atmospheric pressure are reached at a
depth of 120 km in the Earth’s interior.
Diamonds are extremely rare because
they need a carrier material, which
brings them to the Earth’s surface. At
120 km depth, mantle rocks
predominate, which are generally
partially molten and constitute the
asthenosphere. Only under old
continental crust such as in Australia
and South Africa, the mantle rocks had
enough time to cool down to
completely solidify at these depths. A
solid mantle, however, is crucial for
the transport of diamonds to the
surface.
Explosive
magmas
(lamproites
and
kimberlites)
originating at 150-200 km depth are
able to carry diamond bearing rocks in
very short time through the solid
mantle. For these reasons, diamond
exploration focussed on the finding of
kimberlites and lamproites in old
continents.
About 15 years ago, a completely new
occurrence of diamonds has been
discovered. Russian geologists found
micro-diamonds (average size of
20µm) within gneisses of the
Kokchetav massif in Kazakhstan (See
Figure 1).
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massiccio di Kokchetav nel Kazakhstan
(vedi Fig. 1).
Figure 1).
Figura 1: inclusioni di diamanti in zircone
Fig. 1. Diamond inclusions in zircon
Gli gneiss sono rocce tipiche della
crosta continentale. La crosta
continentale ha generalmente uno
spessore di 30 km. Raramente, in
zone di collisione continentale come
l’Himalaya e le Alpi, la crosta
continentale raggiunge una profondità
di circa 70 km. Tali profondità non
sono sufficienti per formare i
diamanti. Di conseguenza, la scoperta
di diamanti negli gneiss ha cambiato
drasticamente l’idea dei geologi sulla
profondità a cui le rocce continentali
possano essere trasportate dai
processi tettonici. È stato suggerito
che le rocce continentali possono
essere trascinate giù in zone di
subduzione tra due zolle convergenti.
In tale processo, le rocce continentali
sono subdotte ad una profondità di
circa 150 km dove i diamanti
vengono formati e poi riportati in
superficie dai processi tettonici.
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Gneisses are typical rocks of the
continental crust. The continental
crust is generally only 30 km thick.
Rarely, in continental collision zones
such as the Himalaya and the Alps,
the continental crust reaches a depth
of about 70 km. Such depths are
insufficient to form diamond.
Therefore the finding of diamonds in
gneisses drastically changed the
ideas of geologist on how deep
continental rocks can be carried
down by tectonic processes. It has
then been suggested that continental
rocks can be dragged down in
subductions zones between two
converging plates. In such a process,
the continental rocks are subducted
to a depth of about 150 km where
diamonds form and then brought
back to the surface by tectonic
processes. Because such slices of
continental crust are much bigger
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superficie dai processi tettonici.
Siccome tali scaglie di crosta
continentale rappresentano volumi
molto più grandi delle rocce
mantelliche contenenti diamanti che
vengono trasportate in superficie
tramite magmi, la crosta continentale
subdotta costituisce la più grande
riserva
di
diamanti
esistente.
Tuttavia, i diamanti sono troppo
piccoli e perciò non hanno valore
economico.
L’identificazione
della
crosta
continentale subdotta a 150km od
oltre è stata ristretta alle rocce che
effettivamente contengono diamanti.
All’Australian National University si
sta attualmente determinando la
stabilitá e la composizione dei
minerali nella crosta continentale
subdotta mediante esperimenti con
presse cilindriche. Questo apparato è
un grande pressa idraulica, nel quale
pressioni fino a 50 kbar e temperature
fino a 1800°C possono essere
generate per simulare le condizioni
all’interno della terra. Le rocce
prodotte
artificialmente
in
quest’apparato possono così essere
confrontate con rocce naturali.
Quest’approccio permette di stabilire
le condizioni sotto le quali le varie
rocce si formano. Applicando questo
metodo alle rocce provenienti dal
Massiccio Dora-Maira (Piemonte,
Italia), abbiamo potuto dimostrare
che questa scaglia di crosta
continentale è stata subdotta ad una
profondità di circa 130 km, dentro il
campo di stabilità del diamante.
Questo rappresenta la prima scoperta
di rocce che hanno origine nel campo
di stabilità di diamante in Italia.
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continental crust are much bigger
than the volume of diamond bearing
mantle rocks carried by the volcanic
rocks, subducted continental crust
are the biggest reservoir for
diamond. However, the diamonds
are too small and hence are not of
economic interest.
The recognition of continental crust
subducted to 150 km or more has
been restricted to rocks actually
containing
diamonds.
At
the
Australian National University we
are currently determine with piston
cylinder experiments, stability and
composition
of
minerals
in
subducted continental crust. A piston
cylinder apparatus is a large
hydraulic press, in which pressures
of up to 50 kbar and temperatures of
up to 1800°C can be generated to
simulate conditions in the interior of
the earth. The artificially produced
rocks in this apparatus can then be
compared to natural rocks. This
approach permits to establish the
conditions under which different
rock types formed. Applying this
method to rocks from the DoraMaira Massif (Piemonte, Italy) we
were able to demonstrate that this
slice of continental crust was
subducted to about 130 km depth,
within the stability field of diamond.
This represents the first finding of
rocks originating from the diamond
stability field within Italy. This result
is extremely important to understand
the dynamic process of the formation
of the Alps as a consequence of the
collision between the European and
the African continent. However, no
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Questo risultato è estremamente
importante per capire il processo
dinamico della formazione delle Alpi
come conseguenza dello scontro tra il
continente europeo e quello africano.
Tuttavia, nel massiccio del DoiraMaira non sono stati ancora trovati
diamanti.
Ricerche
future
mostreranno se il diamante è sfuggito
alla vista o se altre condizioni come
la temperatura, il tempo di
permanenza, la pressione parziale
dell’ossigeno non erano favorevoli
per la sua formazione.
diamonds have been found in the
Dora-Maira Massif yet. Future
research will show whether diamond
has been simply overlooked or
whether other conditions such as
temperature, residence time and
partial pressure of oxygen were not
favourable for diamond formation.
Dr Jorg Hermann,
Research School of Earth Sciences,
The Australian National University
Canberra
Versione originale in inglese
Original version in English
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