Come si ottiene il diamante dal carbone

Sommario

Metodi di formazione dei diamanti

Molte persone credono che i diamanti si formino dal metamorfismo del carbone. Questa idea continua ad essere la storia di "come si formano i diamanti" in molte aule di scienze.

Il carbone ha avuto un ruolo raramente, se non mai, nella formazione dei diamanti. In infatti, la maggior parte dei diamanti che sono stati datati sono molto più antichi delle prime piante terrestri della Terra, il materiale di partenza del carbone! Questa da sola dovrebbe essere una prova sufficiente per sfatare l'idea che i depositi di diamanti della Terra si siano formati dal carbone.

Un altro problema con l'idea è che i filoni di carbone sono rocce sedimentarie che di solito si presentano come unità rocciose orizzontali o quasi orizzontali. Tuttavia, le rocce sorgente dei diamanti sono tubi verticali riempiti con rocce ignee.

Si ritiene che quattro processi siano responsabili di quasi tutti i diamanti naturali che sono stati trovati sulla superficie terrestre o nelle sue vicinanze. Uno di questi processi rappresenta quasi il 100% di tutti i diamanti che siano mai stati estratti. I restanti tre sono fonti insignificanti di diamanti commerciali.

Questi processi raramente - se non mai - coinvolgono il carbone.

1) Formazione nel mantello terrestre

geologi ritengono che i diamanti in tutti i depositi di diamanti commerciali della Terra si siano formati nel mantello e consegnati in superficie da eruzioni vulcaniche profonde. Queste eruzioni producono i tubi di kimberlite e lamproite che sono ricercati dai cercatori di diamanti.

La maggior parte di questi tubi non contiene diamante, o contiene una quantità così piccola di diamante da non essere di interesse commerciale. Tuttavia, in questi tubi si sviluppano miniere a cielo aperto e sotterranee quando contengono diamanti adeguati per un'estrazione redditizia. Anche i diamanti sono stati alterati ed erosi da alcuni di questi tubi. Quei diamanti sono ora contenuti nei depositi sedimentari (placer) di corsi d'acqua e coste.

La formazione dei diamanti naturali richiede temperature e pressioni molto elevate. Queste condizioni si verificano in zone limitate del mantello terrestre a circa 90 miglia (150 chilometri) o più sotto la superficie, dove le temperature sono di almeno 2000 gradi Fahrenheit (1050 gradi Celsius) [1]. L'ambiente critico di temperatura-pressione per la formazione e la stabilità del diamante non è presente a livello globale. Si pensa invece che sia presente principalmente nel mantello sotto l'interno stabile delle placche continentali [2].

I diamanti formati e immagazzinati in queste "zone di stabilità dei diamanti" vengono consegnati alla superficie terrestre durante le eruzioni vulcaniche profonde. Queste eruzioni strappano pezzi del mantello e li trasportano rapidamente verso il superficie [3]. Vedere la posizione 1 nel diagramma nella parte superiore della pagina. Questo tipo di eruzione vulcanica è estremamente raro e non è mai stato osservato dagli esseri umani moderni.

C'è di mezzo il carbone? Il carbone è una roccia sedimentaria, formata da detriti vegetali depositati sulla superficie terrestre. Raramente è sepolto a profondità superiori a due miglia (3,2 chilometri). È molto improbabile che il carbone sia stato spostato dalla crosta fino a una profondità ben al di sotto della base di una placca continentale. La fonte di carbonio di questi diamanti del mantello è molto probabilmente il carbonio intrappolato all'interno della Terra al momento della formazione del pianeta o trasportato a grandi profondità dalla subduzione.

2) Formazione nelle zone di subduzione

Minuscoli diamanti sono stati trovati in rocce che si pensa siano state subdotte in profondità nel mantello da processi di tettonica a placche, per poi essere riportate in superficie [4]. Vedere la posizione 2 nel diagramma nella parte superiore della pagina. La formazione di diamanti in una placca in subduzione potrebbe verificarsi a soli 80 chilometri sotto la superficie e a temperature fino a 390 gradi Fahrenheit (200 gradi centigradi) [1]. In un altro studio, è stato scoperto che i diamanti provenienti dal Brasile contengono minuscole inclusioni minerali coerenti con la mineralogia della crosta oceanica [8]. Altri hanno inclusioni che suggeriscono che l'acqua di mare subdotta sia stata coinvolta nella loro formazione [9].

Uno studio più recente ha indagato l'origine su diamanti blu contenenti boro che si sono formati a profondità fino a 400 miglia (650 chilometri). Questi diamanti super-profondi contenevano anche inclusioni che indicavano che derivavano dalla crosta oceanica subdotta. [10]

C'è di mezzo il carbone? Il carbone non è una probabile fonte di carbonio per questo processo di formazione dei diamanti. Le fonti di carbonio più probabili dalla subduzione di una placca oceanica sono rocce carbonatiche come calcare, marmo e dolomite, e possibilmente particelle di detriti vegetali nei sedimenti offshore.

3) Formazione nei siti di impatto

Nel corso della sua storia, la Terra è stata ripetutamente colpita da grandi asteroidi. Quando questi asteroidi colpiscono la Terra, si producono temperature e pressioni estreme. Ad esempio: quando un asteroide largo 10 chilometri colpisce la Terra, può viaggiare a una velocità massima di 9-12 miglia al secondo (da 15 a 20 chilometri al secondo). Dopo l'impatto, questo oggetto iperveloce produrrebbe un'esplosione di energia equivalente a molte armi nucleari e temperature più calde della superficie del sole [5].

Le condizioni di alta temperatura e pressione di un tale impatto sono più che adeguate per formare diamanti. Questa teoria della formazione dei diamanti è stata supportata dalla scoperta di minuscoli diamanti in giro diversi siti di impatto di asteroidi. Vedere la posizione 3 nel diagramma nella parte superiore della pagina.

Piccoli diamanti sub-millimetrici sono stati trovati al Meteor Crater in Arizona. Diamanti industriali policristallini di dimensioni fino a 13 millimetri sono stati trovati nel cratere Popigai nel nord della Siberia, in Russia. [7]

C'è di mezzo il carbone? Il carbone potrebbe essere presente nell'area target di questi impatti e potrebbe fungere da fonte di carbonio dei diamanti. Calcari, marmi, dolomie e altre rocce contenenti carbonio sono più probabilmente fonti di carbonio rispetto al carbone.

4) Formazione nello spazio

I ricercatori della NASA hanno rilevato un gran numero di nanodiamanti in alcuni meteoriti. (I nanodiamanti sono diamanti che sono di pochi nanometri - miliardesimi di metro di diametro.) Circa il tre per cento del carbonio in questi meteoriti è contenuto sotto forma di nanodiamanti. Questi diamanti sono troppo piccoli per essere utilizzati come gemme o abrasivi industriali; Tuttavia, sono una fonte di materiale diamantifero [6]. Vedere la posizione 4 nel diagramma nella parte superiore della pagina.

I ricercatori dello Smithsonian hanno anche trovato un gran numero di piccoli diamanti quando stavano tagliando un campione dal meteorite di Allen Hills [7]. Si pensa che questi diamanti nei meteoriti si siano formati nello spazio attraverso collisioni ad alta velocità simili a come si formano i diamanti sulla Terra nei siti di impatto.

C'è di mezzo il carbone? Il carbone non è coinvolto nella creazione di questi diamanti. La fonte di carbonio proviene da un corpo diverso dalla Terra.

5) Formazione sulla superficie terrestre

Negli anni '50, nuovi metodi di formazione dei diamanti sono stati scoperti sulla superficie terrestre. Gli scienziati sono stati in grado di creare le condizioni di temperatura e pressione necessarie per creare diamanti in laboratorio. La maggior parte dei primi diamanti non erano di qualità gemma, ma erano perfetti per l'uso come granuli abrasivi in punte da trapano, utensili da taglio e mole. Ben presto furono prodotti diamanti più grandi coltivati in laboratorio per essere utilizzati come cuscinetti resistenti all'usura, dissipatori di calore per processori di computer e finestre ad alta temperatura.

Oggi quasi tutti i diamanti utilizzati nei processi industriali sono diamanti creati in laboratorio. Vengono anche realizzati in qualità sufficientemente elevate da guadagnare gradi incolori e molto molto leggermente inclusi dai laboratori di classificazione dei diamanti. Sono realizzati in uno spettro di colori aggiungendo azoto (giallo) o boro (blu) all'ambiente di formazione dei diamanti. Il verde, il rosa, l'arancione e altri colori sono possibili con i processi di trattamento post-crescita. I diamanti creati in laboratorio vengono prodotti negli Stati Uniti e in molti altri paesi. La Cina è il paese leader nella produzione di diamanti creati in laboratorio.

Tutti i diamanti coltivati in laboratorio sono realizzati utilizzando apparecchiature che consumano un'enorme quantità di elettricità, necessaria per creare le condizioni di temperatura e pressione necessarie per coltivare i diamanti. È probabile che parte di quell'elettricità sia generata dalla combustione del carbone. Questi potrebbero essere i migliori esempi di diamanti realizzati con il carbone.

Seppellire l'idea della formazione del carbone

La prova più convincente che il carbone non ha avuto un ruolo nella formazione della maggior parte dei diamanti è un confronto tra l'età dei diamanti della Terra e l'età delle prime piante terrestri.

La maggior parte dei depositi di diamanti ospitati nelle rocce che sono stati trovati si sono formati durante l'Eone Precambriano - l'intervallo di tempo tra la formazione della Terra (circa 4.600 milioni di anni fa) e l'inizio del periodo Cambriano (circa 542 milioni di anni fa). Al contrario, le prime piante terrestri non sono apparse sulla Terra fino a circa 450 milioni di anni fa, quasi 100 milioni di anni dopo la formazione della stragrande maggioranza dei diamanti che sono stati estratti.

Poiché il carbone è formato da detriti vegetali terrestri e le piante terrestri più antiche sono più giovani di quasi tutti i diamanti che siano mai stati datati, è facile concludere che il carbone non ha svolto un ruolo significativo nella formazione dei diamanti naturali della Terra.