Nguồn gốc của kim cương
“Để tạo nên một viên kim cương thiên nhiên, Trái Đất cần chuẩn bị trong hàng tỷ năm. Điều kiện ấy hiếm đến mức, cho đến nay, chúng ta vẫn chưa tìm thấy một môi trường tự nhiên nào khác trong Hệ Mặt Trời có thể khẳng định chắc chắn tạo ra kim cương chất lượng đá quý như trên Trái Đất.”
Kim cương không phải than đá
Đây có lẽ là quan niệm phổ biến nhất nhưng cũng là một trong những hiểu lầm lớn nhất về kim cương. Nhiều người cho rằng kim cương được hình thành từ than đá bị chôn vùi dưới áp suất rất lớn. Thực tế, các nghiên cứu đồng vị cacbon cho thấy phần lớn kim cương tự nhiên có nguồn gốc từ cacbon trong lớp Manti. Một phần nhỏ được hình thành từ cacbon có nguồn gốc vỏ Trái Đất bị kéo xuống theo các mảng kiến tạo trong quá trình hút chìm (subduction). Than đá, vốn hình thành ở lớp vỏ nông từ xác thực vật, hầu như không phải là nguồn tạo nên các viên kim cương đá quý mà chúng ta sử dụng ngày nay.
Điều đó cũng có nghĩa, tuổi của nhiều viên kim cương còn già hơn rất nhiều so với những khu rừng cổ đại từng tạo nên các mỏ than.
Điều kiện hình thành kim cương
Kim cương là dạng tinh thể ổn định của nguyên tố cacbon trong điều kiện áp suất rất cao. Nếu áp suất không đủ, cacbon sẽ tồn tại dưới dạng graphite – khoáng vật mềm mà chúng ta quen thuộc trong lõi bút chì. Theo các nghiên cứu địa chất hiện đại, điều kiện hình thành kim cương tự nhiên thường bao gồm:
| Điều kiện | Giá trị điển hình |
| Độ sâu | 140–250 km |
| Áp suất | 5–7 GPa (≈ 50.000–70.000 atm) |
| Nhiệt độ | 900–1.500°C |
| Môi trường | Lớp manti lục địa cổ (cratonic lithospheric mantle) |
Đây là vùng nằm sâu dưới các lục địa cổ ổn định hàng tỷ năm như Canada, Botswana, Nam Phi, Siberia hay Tây Úc. Những khu vực này có “rễ lục địa” rất dày và nguội tương đối so với phần còn lại của lớp Manti. Chính sự ổn định kéo dài hàng tỷ năm đã tạo điều kiện để kim cương kết tinh và tồn tại mà không bị chuyển hóa trở lại thành graphite.
Ngoài điều kiện phải có áp suất cao, để kim cương kết tinh, Lớp manti còn phải có:
- nguồn cacbon phù hợp;
- chất lỏng hoặc dịch nóng giàu cacbon di chuyển trong Lớp manti;
- môi trường oxy hóa – khử thích hợp;
- thành phần hóa học ổn định trong thời gian rất dài.
Nhiều nghiên cứu cho thấy các dòng dung dịch giàu cacbon (carbon-bearing fluids hoặc carbon-bearing melts) đóng vai trò quan trọng trong quá trình kết tinh kim cương. Khi điều kiện hóa học thay đổi, cacbon hòa tan trong các chất lỏng này sẽ kết tinh thành tinh thể kim cương.
Vì vậy, sự hình thành kim cương không phải là một phản ứng đơn lẻ, mà là kết quả của nhiều quá trình địa chất diễn ra đồng thời trong lòng Trái Đất.
Thời gian thành tạo kim cương
Một trong những điều thú vị nhất là tuổi của kim cương.
Các nghiên cứu đồng vị cho thấy phần lớn kim cương tự nhiên được hình thành cách đây khoảng 1–3,5 tỷ năm.
Để dễ hình dung:
- Khủng long chỉ xuất hiện khoảng 230 triệu năm trước.
- Thực vật có hoa mới xuất hiện khoảng 140 triệu năm trước.
- Loài người hiện đại chỉ khoảng 300.000 năm tuổi.
Nói cách khác, nhiều viên kim cương đã tồn tại trong lòng Trái Đất hàng tỷ năm trước khi con người xuất hiện.
Kim cương được đưa lên mặt đất bằng cách nào?
Kim cương không hình thành trong magma. Sau khi kết tinh trong lớp Manti, chúng vẫn nằm yên ở độ sâu hàng trăm kilômét trong thời gian rất dài.
Chỉ khi xảy ra những vụ phun trào núi lửa đặc biệt, kim cương mới được đưa lên gần bề mặt.
Hai loại magma quan trọng nhất là:
- Kimberlite
- Lamproite
Đây là những magma có nguồn gốc rất sâu, giàu chất bay hơi và có tốc độ đi lên rất nhanh. Tốc độ này đặc biệt quan trọng, bởi nếu quá trình vận chuyển diễn ra chậm, kim cương có thể mất ổn định và chuyển hóa trở lại thành graphite. Sau khi magma nguội đi, chúng tạo thành các ống núi lửa (kimberlite pipe hoặc lamproite pipe). Phần lớn các mỏ kim cương trên thế giới đều gắn liền với những cấu trúc địa chất đặc biệt này.
Điều quan trọng cần lưu ý là kimberlite không tạo ra kim cương, mà là “phương tiện vận chuyển” những viên kim cương đã được hình thành từ rất lâu trong lớp Manti.
Các nhóm kim cương
Trong nhiều năm qua, các nhà địa chất đã phát hiện ít nhất hai nhóm kim cương chính.
Kim cương thạch quyển (Lithospheric diamonds) là nhóm phổ biến nhất, hình thành trong Lớp manti dưới các lục địa cổ ở độ sâu khoảng 140–250 km.
Kim cương siêu sâu (Super-deep diamonds), được cho là kết tinh ở độ sâu trên 300 km, thậm chí có mẫu chứa bao thể khoáng vật chỉ ổn định trong vùng chuyển tiếp của Lớp manti hoặc gần ranh giới với Lớp manti dưới. Những viên kim cương này mang trong mình các bao thể quý giá, giúp các nhà khoa học nghiên cứu trực tiếp vật chất ở những nơi con người không thể tiếp cận.
Chính vì vậy, nhiều nhà địa chất gọi kim cương là “viên nang thời gian của Lớp manti Trái Đất”.
Giá trị của kim cương
Giá trị kim cương ngoài giá bán tốt, trong trang sức kim cương được biết đến như biểu tượng của tình yêu và sự bền vững.
Trong khoa học, mỗi viên kim cương tự nhiên là một mẫu vật địa chất hình thành trong điều kiện mà con người không thể tái tạo hoàn toàn trong tự nhiên. Những bao thể nằm bên trong chúng lưu giữ thông tin về thành phần hóa học, nhiệt độ, áp suất và quá trình tiến hóa của Lớp manti Trái Đất cách đây hàng tỷ năm.
Vì vậy, đối với các nhà địa chất, kim cương không chỉ là một loại đá quý mà còn là một trong những tài liệu quý giá nhất để nghiên cứu phần sâu bên trong hành tinh của chúng ta.
Kết luận
Một viên kim cương tự nhiên là cacbon kết tinh dưới áp suất, nhiệt độ cao với môi trường phù hợp, gắn với lịch sử tiến hóa của Trái Đất trong suốt hàng tỷ năm. Chính hành trình địa chất đặc biệt ấy đã tạo nên nền tảng đầu tiên cho giá trị của kim cương, trước cả khi con người gắn cho nó ý nghĩa về tình yêu, địa vị hay tài sản.
Tài liệu tham khảo
- Shirey, S. B., & Cartigny, P. (2013). Mantle-derived Diamonds and Their Geologic Record. Reviews in Mineralogy & Geochemistry, 75, 355–421.
- Stachel, T., & Harris, J. W. (2008). The Origin of Cratonic Diamonds. Elements, 4(5), 321–325.
- Cartigny, P. (2005). Stable Isotopes and the Origin of Diamond. Elements, 1(2), 79–84.
- Helmstaedt, H., & Gurney, J. J. (1997). Geodynamic Controls of Diamond Deposits. Journal of Geochemical Exploration.
- Shirey, S. B. et al. (2022). Diamonds and the Deep Earth. Nature Reviews Earth & Environment.
- Gemological Institute of America (GIA). Diamond Origin and Formation; Advances in Diamond Geology.
- Klein, C., & Dutrow, B. Manual of Mineral Science (23rd Edition).
