Bjoern Wylezich / Shutterstock
“Een diamant is voor altijd.” Die iconische slogan, bedacht voor een zeer succesvolle reclamecampagne in de jaren 1940, verkocht de edelstenen als een symbool van eeuwige toewijding en eenheid.
Maar ons nieuwe onderzoek, uitgevoerd door onderzoekers in verschillende landen en gepubliceerd in Nature, suggereert dat diamanten ook een teken van breuk kunnen zijn – van de tektonische platen van de aarde, wel te verstaan. Het kan zelfs aanwijzingen geven over waar je er het beste naar kunt gaan zoeken.
Diamant is de hardste steen die in de natuur voorkomt en heeft intense druk en temperaturen nodig om zich te vormen. Deze omstandigheden worden alleen diep in de aarde bereikt. Hoe komen ze dan van diep in de aarde naar de oppervlakte?
Diamanten worden omhoog gedragen in gesmolten rotsen, of magma’s, die kimberlieten worden genoemd. Tot nu toe wisten we niet welk proces ervoor zorgde dat kimberlieten plotseling door de aardkorst schoten nadat ze miljoenen of zelfs miljarden jaren onder de continenten waren opgeborgen.
Supercontinent cycli
De meeste geologen zijn het erover eens dat de explosieve uitbarstingen waarbij diamanten vrijkomen synchroon lopen met de supercontinentcyclus: een terugkerend patroon van vorming en fragmentatie van landmassa’s dat miljarden jaren van de geschiedenis van de aarde heeft bepaald.
De precieze mechanismen die aan deze relatie ten grondslag liggen, zijn echter omstreden. Er zijn twee belangrijke theorieën naar voren gekomen.
De ene stelt voor dat kimberlietmagma’s de “wonden” exploiteren die ontstaan wanneer de aardkorst wordt uitgerekt of wanneer de platen vast gesteente die de aarde bedekken – bekend als tektonische platen – uit elkaar splijten. De andere theorie heeft te maken met mantelpluimen, kolossale opstuwingen van gesmolten gesteente uit de kern-mantelgrens, die zich ongeveer 2900 km onder het aardoppervlak bevindt.
Een voorstelling van de interne structuur van de aarde.
USGS
Beide ideeën zijn echter niet zonder problemen. Ten eerste is het belangrijkste deel van de tektonische plaat, bekend als de lithosfeer, ongelooflijk sterk en stabiel. Dit maakt het moeilijk voor breuken om door te dringen, waardoor magma’s door kunnen stromen.
Daarnaast vertonen veel kimberlieten niet de chemische “smaken” die we verwachten te vinden in gesteenten die afkomstig zijn van mantelpluimen.
Daarentegen wordt gedacht dat bij de vorming van kimberlieten de mate van smelten van mantelgesteenten extreem laag is, vaak minder dan 1%. Er is dus een ander mechanisme nodig. Onze studie biedt een mogelijke oplossing voor dit aloude raadsel.
We gebruikten statistische analyses, waaronder machine learning – een toepassing van kunstmatige intelligentie (AI) – om het verband tussen het uiteenvallen van continenten en kimberlietvulkanisme forensisch te onderzoeken. De resultaten van ons wereldwijde onderzoek toonden aan dat de uitbarstingen van de meeste kimberlietvulkanen 20 tot 30 miljoen jaar na het uiteenvallen van de continenten plaatsvonden.
Bovendien ondersteunde onze regionale studie, gericht op de drie continenten waar de meeste kimberlieten worden gevonden – Afrika, Zuid-Amerika en Noord-Amerika – deze bevinding. Het voegde ook een belangrijke aanwijzing toe: kimberlietuitbarstingen hebben de neiging om in de loop van de tijd geleidelijk van de continentale randen naar het binnenland te migreren met een snelheid die uniform is over de continenten.
Dit roept de vraag op: welk geologisch proces zou deze patronen kunnen verklaren?
Om deze vraag te beantwoorden, gebruikten we meerdere computermodellen om het complexe gedrag van continenten tijdens het uitrekken vast te leggen, samen met de convectieve bewegingen in de onderliggende mantel.
Domino-effect
Wij stellen voor dat een domino-effect kan verklaren hoe het uiteenvallen van de continenten uiteindelijk leidt tot de vorming van kimberlietmagma. Tijdens rifting wordt een klein gebied van de continentale wortel – gebieden met dik gesteente onder sommige continenten – verstoord en zinkt weg in de onderliggende mantel.
Hier krijgen we het zinken van kouder materiaal en het opwellen van hete mantel, wat een proces veroorzaakt dat randgedreven convectie wordt genoemd. Onze modellen laten zien dat deze convectie een keten van soortgelijke stromingspatronen in gang zet die onder het nabijgelegen continent migreren.
Onze modellen laten zien dat deze verstorende stromingen, terwijl ze langs de continentale wortel trekken, een aanzienlijke hoeveelheid gesteente, tientallen kilometers dik, verwijderen van de basis van de continentale plaat.
Verschillende andere resultaten van onze computermodellen laten vervolgens zien dat dit proces de benodigde ingrediënten in de juiste hoeveelheden kan samenbrengen om precies genoeg smelt te veroorzaken om gasrijke kimberlieten te genereren. Eenmaal gevormd, en met het grote drijfvermogen dat wordt geleverd door kooldioxide en water, kan het magma snel naar de oppervlakte stijgen met zijn kostbare lading.
Het is niet duidelijk hoe het gesmolten gesteente met diamanten van diep uit de aarde naar de oppervlakte is gekomen.
N. Deligne / USGS
Nieuwe diamantafzettingen vinden
Dit model spreekt de ruimtelijke associatie tussen kimberlieten en mantelpluimen niet tegen. Integendeel, het uiteenvallen van tektonische platen kan al dan niet het gevolg zijn van de opwarming, verdunning en verzwakking van de plaat veroorzaakt door de pluimen.
Ons onderzoek toont echter duidelijk aan dat de ruimtelijke, tijdgebonden en chemische patronen die in de meeste kimberlietrijke gebieden worden waargenomen, niet afdoende verklaard kunnen worden door alleen de aanwezigheid van pluimen.
De processen die de uitbarstingen die diamanten naar de oppervlakte brengen in gang zetten, blijken zeer systematisch te zijn. Ze beginnen aan de randen van continenten en migreren naar het binnenland met een relatief uniforme snelheid.
Deze informatie zou gebruikt kunnen worden om de mogelijke locaties en tijdstippen te identificeren van vulkaanuitbarstingen in het verleden die verband houden met dit proces. Dit biedt inzichten die de ontdekking van diamantafzettingen en andere zeldzame elementen die nodig zijn voor de overgang naar groene energie mogelijk kunnen maken.
Als we op zoek gaan naar nieuwe afzettingen, is het de moeite waard om in gedachten te houden dat er momenteel pogingen worden gedaan door actiegroepen om diamanten die worden gebruikt om oorlogen te financieren (conflictdiamanten) of die afkomstig zijn uit mijnen met slechte arbeidsomstandigheden van de wereldmarkt te halen.
Diamanten kunnen wel of niet voor altijd zijn, maar ons werk laat zien dat er in de geschiedenis van onze planeet herhaaldelijk nieuwe diamanten zijn gemaakt over lange perioden.
Thomas Gernon ontvangt financiering van de WoodNext Foundation en de Natural Environment Research Council (NERC).
