Les diamants viennent-ils du charbon ? Non. Voici comment ils se forment

Introduction

Un diamant octaédrique brut d’Afrique du Sud. Cette forme à huit faces reflète la structure cristalline cubique du diamant et fait partie des formes classiques que peut prendre un diamant en croissant dans le manteau. Photo : James St. John / CC BY 2.0 via Wikimedia Commons.

L’histoire que beaucoup d’entre nous ont apprise à l’école, selon laquelle les diamants seraient du charbon comprimé, est l’un des mythes les plus tenaces des sciences de la Terre. Ce mythe survit parce que la véritable géologie est plus étrange et bien plus difficile à faire tenir sur une boîte de céréales.

Le charbon est une roche sédimentaire de la croûte superficielle, issue de matière végétale enfouie. Les grands dépôts de marécages qui ont fourni l’essentiel du charbon mondial datent pour la plupart du Carbonifère ou de périodes plus récentes : des centaines de millions d’années, et non des milliards¹. La plupart des diamants de joaillerie naturels qui ont pu être datés ont plus d’un milliard d’années. Beaucoup se sont formés à environ 140–200 kilomètres sous la surface, dans les racines mantelliques froides des continents anciens. Leur carbone était soit du carbone mantellique présent depuis très longtemps, soit du carbone de surface recyclé dans le manteau par la subduction, mais pas du charbon. Les deux partagent un élément. Leurs histoires géologiques habituelles sont presque entièrement différentes.

Voici la version avec laquelle les géologues travaillent réellement.

Réponse rapide : comment se forment les diamants

La plupart des diamants de joaillerie lithosphériques se forment à environ 140–200 km sous la surface, dans le manteau sous-cratonique, à des pressions voisines de 5 GPa (environ 50 000 atmosphères) et à des températures proches de 1 300 °C². Ils cristallisent à partir de fluides et de magmas riches en carbone, sous les parties les plus anciennes et les plus épaisses des continents. De nombreux diamants naturels datés sont anciens, souvent âgés de plusieurs centaines de millions à plusieurs milliards d’années, avec des populations majeures comprises entre environ 1 et 3,5 milliards d’années. Ils n’atteignent la surface que lorsqu’un magma kimberlitique déchire la roche vers le haut depuis les profondeurs situées sous la lithosphère et les emporte avec une rapidité inhabituelle. Le voyage est géologiquement abrupt : selon certains modèles, quelques heures à quelques jours pour les étapes clés de la remontée, et non une lente surrection étalée sur des millions d’années.

Pourquoi les diamants ne viennent pas du charbon

Le charbon se forme dans les quelques premiers kilomètres de la croûte terrestre, lorsque de la matière végétale est enfouie dans des milieux marécageux, puis lentement transformée par la chaleur et la pression. Les diamants se forment dans des conditions mantelliques, où les couches de charbon n’existent pas et ne pourraient pas survivre en tant que charbon. Même lorsqu’un diamant renferme du carbone à signature isotopique organique, ce carbone est parvenu dans le manteau par l’intermédiaire de sédiments subduits ou de croûte océanique altérée, et non sous la forme d’un morceau de charbon intact. Le carbone d’un diamant de joaillerie typique faisait soit partie du réservoir de carbone mantellique, présent depuis très longtemps dans la Terre, soit avait été recyclé dans le manteau par la subduction de plaques océaniques, bien avant que le diamant n’atteigne la surface.

La distinction importante n’est pas que le carbone de surface ne puisse jamais entrer dans l’histoire du diamant. Il le peut. Le problème, c’est la version caricaturale : une veine de charbon enfoncée de plus en plus profondément jusqu’à devenir diamant.

Dès que vous comparez les contextes, l’histoire du charbon s’effondre très vite :

• Ce n’est pas la bonne matière : le carbone du diamant se trouvait dans le manteau au moment de la cristallisation ; même le carbone de surface recyclé est arrivé dans le manteau par subduction, et non sous forme de charbon enfoui.
• Ce n’est pas la bonne profondeur : les diamants croissent vers 150–200 km de profondeur, et non dans des bassins sédimentaires peu profonds.
• Ce n’est pas la bonne pression : les bassins houillers peu profonds n’atteignent jamais les dizaines de milliers d’atmosphères nécessaires à la stabilité du diamant.
• Et ce n’est pas le bon moment : de nombreux diamants ont des milliards d’années, alors que les grands gisements de charbon ont, pour la plupart, des centaines de millions d’années.

Certains diamants — notamment les diamants éclogitiques dont il sera question plus loin — contiennent bel et bien du carbone recyclé depuis la surface. Mais ce carbone a voyagé jusque dans le manteau à l’intérieur de plaques océaniques en subduction, des centaines de millions d’années avant de cristalliser en diamant. Ce n’était pas un morceau de charbon comprimé dans une presse.²

Ce dont la croissance du diamant a réellement besoin

Si l’on met la romance de côté, la formation d’un diamant exige que quatre conditions soient réunies.

1. Le carbone

Le carbone du diamant se trouve dans le manteau au moment de la cristallisation, mais les études isotopiques montrent qu’il a plus d’une origine. Une partie du carbone semble être du carbone mantellique présent depuis très longtemps. Une autre partie a été recyclée depuis la surface par la subduction, probablement sous forme de carbonate, de croûte océanique altérée ou de carbone sédimentaire entraîné profondément dans le manteau. La fraction recyclée est bien documentée dans les diamants éclogitiques, dont les signatures isotopiques du carbone correspondent à celles des sédiments marins et, dans certains cas, de biomasse ancienne.

2. La pression

Dans les bonnes conditions mantelliques, le diamant est la forme stable du carbone à haute pression. Aux températures du manteau, la limite graphite–diamant se situe autour de 4–5+ GPa ; en deçà de cette limite, le graphite est le polymorphe stable, tandis qu’au-delà, c’est le diamant. La plupart des diamants de joaillerie lithosphériques se forment entre environ 4,5 et 6 GPa, ce qui équivaut à des profondeurs d’environ 150–200 km³. À des pressions plus basses, le graphite est la forme thermodynamiquement stable du carbone, mais le diamant peut subsister à l’état métastable si la transformation est bloquée sur le plan cinétique. C’est pourquoi les diamants survivent à la surface de la Terre.

3. La température

Le manteau est chaud, mais pas de façon uniforme. Les diamants cristallisent entre environ 900 et 1 400 °C, une plage assez chaude pour que le carbone se mobilise dans des fluides et des magmas, mais assez fraîche pour que le diamant reste stable face au graphite. Une grande partie du manteau convectif est trop chaude, à une pression donnée, pour que le diamant y soit stable à long terme.

4. Un milieu de croissance

Les diamants de joaillerie ne se fabriquent pas en se contentant de comprimer de la roche solide. Ils croissent en général à partir de fluides, de magmas ou de liquides métalliques riches en carbone, souvent par des réactions d’oxydoréduction dans les roches du manteau. Le carbone se dissout dans ces milieux. Lorsque la pression, la température, la fugacité de l’oxygène ou la chimie environnante changent, le diamant peut cristalliser.

Diagramme de phases pression–température du carbone. Le diamant n’est thermodynamiquement stable qu’au-dessus d’environ 4–5 GPa. Tout diamant présent à la surface est, techniquement, métastable. Diagramme : User Femto / domaine public via Wikimedia Commons.

Portez la pression en fonction de la température, et les règles apparaissent. La limite diamant/graphite va d’environ 4 GPa à 1 000 °C à environ 5,5 GPa à 1 400 °C. Sous un continent ancien et froid, le géotherme ne franchit que tout juste la limite du domaine de stabilité du diamant, à une profondeur d’environ 150–200 km. Sous la plupart des bassins océaniques ou des jeunes chaînes de montagnes, le géotherme n’entre pas dans cette même fenêtre de stabilité du diamant. C’est pourquoi les diamants de joaillerie d’origine mantellique qui ont une importance économique sont, dans leur écrasante majorité, un phénomène cratonique : ils proviennent d’un type particulier de continent, ancien et froid.

Il y a encore un hic, et il ne tient ni à la pression ni à la température. Il tient à la cinétique. À la surface de la Terre, les diamants sont techniquement métastables. Ils devraient se transformer en graphite. Ils ne le font pas, parce que l’énergie d’activation de cette transformation est si élevée qu’à température ambiante, elle prendrait plus de temps que l’âge de l’Univers. Les diamants sont éternels dans la pratique, pas en principe.

Où se forment les diamants : sous les plus anciens continents

Les diamants ne sont pas des roches crustales. Ils se forment dans le manteau, principalement sous un type particulier de continent ancien : les cratons.

Les cratons

Les continents ont une anatomie cachée. La partie visible, avec ses montagnes, ses plaines et ses bassins sédimentaires, repose sur des structures plus anciennes et plus profondes appelées cratons. Un craton est un noyau continental ancien et stable, doté le plus souvent de noyaux crustaux archéens et d’une épaisse quille de manteau lithosphérique froid, qui peut s’étendre sur 150–250 km environ sous la surface⁴.

Ces racines mantelliques sont les usines à diamants. Elles sont froides par rapport au manteau environnant, chimiquement appauvries (la plupart de leurs composants fusibles ont été extraits il y a des milliards d’années) et stables à l’échelle des temps géologiques. Cette combinaison les maintient dans le domaine de stabilité du diamant pendant les longues durées que la croissance du diamant exige.

La répartition est mondiale, mais sélective. Les célèbres provinces diamantifères se regroupent autour de racines continentales anciennes, dont le craton du Kaapvaal en Afrique australe, le craton sibérien, le craton des Esclaves dans le nord du Canada, les cratons ouest-africain et du Congo, ainsi que certaines parties de l’Inde, du Brésil et de l’Australie.

En voici quelques exemples :

• Kaapvaal (Afrique australe) : Cullinan, Letseng, Venetia
• Sibérien (Russie) : Mir, Udachnaya, Yakoutie
• Esclaves (nord du Canada) : Ekati, Diavik, Gahcho Kué
• Ouest-africain : Sierra Leone, Liberia, Guinée
• Congo / Kasaï (Afrique centrale) : Mbuji-Mayi
• Craton amazonien / province de Rio Negro–Juruena (Brésil) : Juína, avec des diamants superprofonds comme l’échantillon à ringwoodite de Pearson.
• Tanzanie : Williamson et les occurrences diamantifères apparentées de Tanzanie
• Craton de Dharwar, Inde du Sud : les diamants historiques de Golconde et de la région de la Krishna.
• Région du Bundelkhand, Inde centrale : province diamantifère de Panna/Majhgawan.
• Supérieur (Canada) : mine Victor, en Ontario
• Nord-australien / Kimberley : dont Argyle, une exception traitée plus loin

La fosse de Mir, en Yakoutie : 525 m de profondeur, 1,2 km de diamètre, une véritable coupe à travers une cheminée de kimberlite dévonienne du craton sibérien. Photo : Staselnik / CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Pourquoi la plus grande partie de la Terre ne fabrique pas de diamants

Les jeunes chaînes de montagnes ne produisent pas les diamants de joaillerie classiques d’origine mantellique que les kimberlites amènent à la surface. De rares microdiamants métamorphiques d’ultra-haute pression existent dans les chaînes de collision, mais c’est une tout autre histoire géologique, et ils ne font l’objet d’aucune exploitation économique. La lithosphère océanique actuelle ne possède pas les racines mantelliques anciennes, froides et épaisses qu’exige le système classique des diamants de joaillerie hébergés par les kimberlites. Les marges continentales amincies, comme la côte est des États-Unis, non plus. Leur lithosphère est trop mince, trop chaude, ou les deux : le domaine de stabilité du diamant commence plus profondément que là où s’arrête la lithosphère.

Tout diamant trouvé dans un cours d’eau d’une jeune chaîne de montagnes est alluvionnaire : érodé dans une roche plus ancienne située quelque part en amont, puis transporté jusque-là par l’eau. Son véritable berceau est plus ancien et plus profond.

Deux types de diamants naturels

La plupart des diamants lithosphériques se répartissent en deux grandes familles : les diamants péridotitiques, formés dans la péridotite du manteau, et les diamants éclogitiques, formés dans des roches liées à la croûte océanique subduite.⁵ Les diamants péridotitiques représentent environ les deux tiers des diamants lithosphériques, tandis que les diamants éclogitiques constituent l’essentiel du reste.

Diamants péridotitiques (type P)

Ils se forment dans la péridotite, la roche dominante du manteau supérieur. Leurs inclusions, de minuscules grains d’olivine, d’orthopyroxène et de grenat pyrope riche en chrome piégés pendant la croissance, sont les mêmes minéraux que ceux qui composent le manteau cratonique. Leur signature isotopique du carbone (δ¹³C ≈ −5 ‰) correspond à celle du carbone du manteau dans son ensemble. De nombreuses populations de diamants de type P bien datées sont archéennes, souvent âgées de plus de 2,5 milliards d’années ; certaines ont plus de 3 milliards d’années. Beaucoup ont cristallisé alors que leurs cratons hôtes étaient encore en train de se stabiliser.

Diamants éclogitiques (type E)

Leur histoire est plus compliquée. Leurs inclusions, de pyroxène sodique et de grenat calcique, correspondent à l’éclogite, la forme de haute pression du plancher océanique basaltique. L’éclogite atteint le manteau profond par subduction : lorsque les plaques océaniques plongent sous les continents, le basalte qui constituait autrefois le plancher océanique se transforme en éclogite en profondeur.

Les diamants éclogitiques sont particulièrement révélateurs. Leurs isotopes du carbone couvrent une gamme beaucoup plus large (de −20 à +5 ‰), avec une forte queue de distribution vers le carbone isotopiquement léger : le type de signature que laissent la matière biologique ou les sédiments carbonatés déposés dans l’océan. Ce signal isotopique est l’un des indices les plus nets que du carbone de surface peut être entraîné en profondeur par la subduction, puis piégé dans un diamant.

Les diamants de type E couvrent aussi une plus large gamme d’âges, de la fin de l’Archéen (~2,9 Ga) jusqu’à un passé plus récent, en passant par le Mésoprotérozoïque. Chaque groupe d’âges correspond à un épisode de subduction ancien et distinct, conservé dans l’archive que constituent les diamants.

Éclogite : grenat pyrope (rouge) dans une matrice bleue composée principalement de glaucophane. Les roches éclogitiques, souvent liées à la croûte océanique subduite, constituent l’une des deux principales associations hôtes des diamants lithosphériques. Photo : Minerallo, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons.

Quel âge ont les diamants ?

Les géologues datent les diamants en analysant leurs inclusions minérales, avec des systèmes de désintégration radioactive en guise d’horloges ultra-lentes. Les inclusions de sulfures permettent une datation rhénium-osmium. Les inclusions de silicates permettent une datation samarium-néodyme. Lorsque l’on dispose d’inclusions appropriées contenant de l’U ou du Pb, les systèmes U–Pb ou isotopiques du Pb peuvent aussi être utiles. La datation des diamants est difficile, car le diamant lui-même ne peut généralement pas être daté directement, mais la géochronologie des inclusions a révélé la répartition générale des âges de formation des diamants.

Après des décennies de datation des inclusions, le tableau d’ensemble est clair : de nombreux diamants naturels sont anciens, âgés le plus souvent d’environ 1 à 3,5 milliards d’années⁶. Les diamants de type P se regroupent entre 2,5 et 3,3 Ga. Ceux de type E ont tendance à être plus jeunes, le plus souvent 1–2 Ga, mais remontent jusqu’à ~2,9 Ga.

Pour replacer cela dans son contexte, un diamant de joaillerie typique est plus ancien que :

• La vie complexe sur Terre. Premiers animaux multicellulaires : ~600 Ma.
• Les plantes terrestres. Premières véritables plantes terrestres : ~470 Ma.
• Le charbon. Premières grandes couches de charbon : ~360 Ma.
• Les dinosaures. Premiers dinosaures : ~230 Ma.
• La Pangée. Dernier supercontinent : 330–175 Ma.
• La première grande accumulation d’oxygène sur Terre. La plupart des diamants de type P sont antérieurs à la Grande Oxydation (~2,4 Ga), bien que de nombreux diamants de type E soient plus jeunes.

De nombreuses kimberlites diamantifères célèbres ont de quelques dizaines à quelques centaines de millions d’années, et sont donc bien plus jeunes que les diamants qu’elles transportent. Certains magmas porteurs sont plus anciens, notamment des lamproïtes protérozoïques telles qu’Argyle.⁷ Le diamant est presque toujours beaucoup plus ancien que le magma qui l’a livré. Un diamant typique a passé plus de 90 % de son existence immobile dans le manteau froid, sans rien faire, avant d’être violemment arraché lors d’une éruption brève et exceptionnellement rapide.

Comment les diamants atteignent la surface : l’éruption kimberlitique

Si les diamants se forment à 150 km de profondeur, comment parviennent-ils à la surface ? Par un type d’éruption volcanique si singulier que personne n’en a jamais observé une seule. Les plus jeunes éruptions kimberlitiques connues sont celles des collines d’Igwisi, en Tanzanie, datées d’il y a environ 10 000–12 000 ans grâce au ³He cosmogénique de l’olivine.

Les kimberlites ne sont pas des volcans ordinaires

Une kimberlite est un magma ultramafique, issu de grande profondeur et riche en CO₂ : très pauvre en silice, très riche en magnésium. Il prend naissance sous la lithosphère et peut remonter en fracturant plus de 150 km de roches sus-jacentes. Les kimberlites diamantifères ne forment généralement ni vastes champs de lave ni hauts cônes volcaniques. Elles forment des cheminées étroites, en forme de carotte, appelées diatrèmes : des corps aux flancs abrupts remplis de roche volcanique fragmentée, de débris du manteau et, parfois, de diamants.

Représentation schématique d’une cheminée de kimberlite : le diatrème en forme de carotte qui amène à la surface, depuis 150 km de profondeur, des xénolites mantelliques porteurs de diamants, lors d’une éruption violente et chargée en gaz. Schéma : Asbestos / CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Une remontée périlleuse

La remontée doit être rapide. Dès qu’un diamant passe sous ~4 GPa, quelque part dans le manteau supérieur pendant sa montée, le graphite devient le polymorphe stable. Si le diamant reste trop longtemps à des pressions plus faibles et à haute température, sa surface commence à se transformer en graphite.

Les estimations publiées de la vitesse de remontée varient selon la partie du trajet que l’on mesure. Des expériences et des modèles sur la conservation des diamants suggèrent que des vitesses de remontée de plusieurs mètres par seconde pourraient être nécessaires pour empêcher une graphitisation importante. Les études de diffusion menées sur des minéraux remontés par les kimberlites (perte d’argon dans la phlogopite, perte d’hydrogène dans l’olivine) impliquent un transport de la source jusqu’à la surface en quelques heures à quelques jours, avec une accélération lors des dernières étapes de la remontée, riches en éléments volatils.⁸

Les vitesses exactes sont débattues, mais l’essentiel ne l’est pas : les kimberlites sont extrêmement rapides pour des magmas qui partent d’aussi profond. Les kimberlites comptent parmi les systèmes magmatiques profonds les plus rapides que nous connaissions.

Comment le magma accélère

Un article de 2012 signé par Russell et ses collègues propose une explication limpide. Les magmas parents des kimberlites sont riches en CO₂. En remontant, ils assimilent de l’orthopyroxène provenant des roches encaissantes du manteau, ce qui fait grimper la teneur en silice du liquide et fait chuter la solubilité du CO₂. Le CO₂ dissous quitte la solution sous forme de gaz libre ; la masse volumique globale du magma s’effondre ; le mélange, désormais plus léger que son environnement, accélère vers le haut. Russell et ses collègues ont décrit ce mécanisme comme une « flottabilité alimentée par l’assimilation ».⁹ Plus le magma se rapproche de la surface, plus le gaz s’exsolve violemment, et l’éruption s’achève par une explosion qui creuse le diatrème.

Un petit diamant octaédrique pris dans une kimberlite serpentinisée. La kimberlite est le vecteur des diamants, et non, en général, la roche dans laquelle ils ont grandi. Photo : Géry Parent / CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Que contient un diamant ? De minuscules fenêtres sur le manteau profond de la Terre

Les inclusions des diamants sont de minuscules échantillons prélevés à des profondeurs d’environ 150 à 750 km : des endroits qu’aucun forage n’atteindra jamais. Pour la géologie de la Terre profonde, ils comptent parmi les spécimens minéraux les plus précieux dont nous disposons.

L’eau dans la zone de transition

En 2014, une équipe dirigée par Graham Pearson a signalé un petit diamant brun sans rien de remarquable, originaire de Juína, au Brésil, qui renfermait un unique grain de ringwoodite : un polymorphe de haute pression de l’olivine, stable seulement entre 520 et 660 km de profondeur¹⁰. La ringwoodite contenait de l’eau, liée chimiquement à la structure cristalline. Le groupe de Pearson a rapporté environ 1 % en masse de H₂O. Un réétalonnage par Thomas et al., avec des coefficients d’absorption infrarouge actualisés appliqués au même échantillon, a affiné cette valeur à 1,43 ± 0,27 % en masse¹¹.

Ce seul grain piégé a montré que la zone de transition du manteau, entre 410 et 660 km de profondeur, peut contenir localement de l’eau. La quantité d’eau que renferme l’ensemble de la zone de transition reste contestée. Des indicateurs géophysiques indirects (conductivité électrique, vitesse sismique) suggèrent que la zone de transition contient en moyenne 0,1–1 % en masse de H₂O. Si elle atteignait en moyenne la valeur de l’échantillon de Pearson, la zone de transition contiendrait à elle seule une quantité d’eau équivalente à un à plusieurs océans de surface. C’est une implication réelle, pas un fait établi.

Un cristal de 150 µm de ringwoodite bleue synthétique. Une inclusion naturelle de cette même phase, découverte en 2014 dans un diamant superprofond brésilien, a fourni l’un des premiers échantillons minéraux directs de la zone de transition de la Terre. Photo : Jasperox / CC BY 3.0 via Wikimedia Commons.

La cubo-glace (anciennement glace VII)

En 2018, Tschauner et ses collègues ont identifié des inclusions de glace VII, une forme de haute pression de l’eau cristalline qui n’est stable qu’au-dessus de ~2,4 GPa, à l’intérieur de diamants superprofonds¹². De la glace VII dans un diamant signifie que de l’eau liquide était présente à des profondeurs d’au moins 410 km lorsque le diamant s’est formé, qu’elle a été scellée à l’intérieur et qu’elle a gelé pour adopter sa structure de haute pression pendant la remontée du diamant.

L’IMA a approuvé cette phase comme minéral en 2017, d’abord sous le nom de glace VII ; selon la nomenclature actualisée des polymorphes, elle s’appelle désormais cubo-glace. Le nom a changé, mais pas la conclusion : ces inclusions montrent qu’un fluide aqueux peut exister localement à de grandes profondeurs du manteau¹³.

La davemaoïte

En 2021, le groupe de Tschauner a identifié la davemaoïte, une pérovskite de silicate de calcium baptisée en l’honneur du physicien des hautes pressions Ho-kwang « Dave » Mao, à l’intérieur d’un diamant¹⁴. La pérovskite CaSiO₃ devrait être une phase majeure du manteau inférieur (sous 660 km) et incorporer de préférence des éléments producteurs de chaleur tels que l’uranium, le thorium et le potassium. L’interprétation initiale était que l’inclusion représentait le premier échantillon naturel d’un minéral du manteau inférieur.

Cette interprétation est contestée. Walter et al. (2022, Science) ont soutenu que les données sont tout aussi compatibles avec une origine lithosphérique sous-cratonique et que la composition de l’inclusion n’exige pas de façon univoque une stœchiométrie de manteau inférieur¹⁵. Le groupe de Tschauner a répondu la même année. L’approbation de l’IMA et le nom restent valables. L’attribution de la profondeur d’origine demeure une question ouverte.

Les diamants CLIPPIR : certaines des plus grosses gemmes ont grandi à partir d’un liquide métallique

Les plus gros diamants de joaillerie du monde appartiennent à une classe singulière. CLIPPIR, acronyme introduit par Smith et al. en 2016, vient de l’anglais Cullinan-like, Large, Inclusion-Poor, Pure, Irregular, Resorbed (de type Cullinan, grands, pauvres en inclusions, purs, irréguliers, résorbés) : une famille de diamants exceptionnellement gros, purs et issus de grande profondeur.

Les diamants CLIPPIR sont gigantesques, d’une pureté exceptionnelle, et ils viennent de bien plus profond que les diamants ordinaires — entre 360 et 750 km, en plein manteau sous-lithosphérique¹⁶. Les rares inclusions qu’ils renferment ne sont pas des minéraux silicatés, mais de minuscules poches de métal fer-nickel solidifié, parfois accompagné de carbures de fer, souvent entourées de fines pellicules de méthane et d’hydrogène.

Ces poches de métal sont le véritable milieu de croissance. Les diamants CLIPPIR ont précipité directement à partir de métal Fe-Ni fondu dans le manteau profond¹⁷. Cela exige des conditions très réductrices, telles qu’on en attend dans certaines parties du manteau profond où le fer métallique peut être stable.

Une étude de suivi publiée en 2021 a retracé l’origine du fer jusqu’à la surface. Smith et ses collègues ont mesuré les isotopes du fer dans les inclusions métalliques de diamants CLIPPIR et trouvé des valeurs de δ⁵⁶Fe de +0,79 à +0,90 ‰ ; des valeurs qui sortent de la gamme de toute composition mantellique connue et qui correspondent à de la magnétite formée lorsque la péridotite du plancher océanique réagit avec l’eau de mer¹⁸. Autrement dit, certains des plus gros diamants de joaillerie de la planète pourraient devoir leur existence à un matériau riche en fer qui fut autrefois du plancher océanique et que la subduction a entraîné à des centaines de kilomètres de profondeur.

Argyle : la mine qui transgresse les règles habituelles

L’essentiel de ce que vous venez de lire décrit le modèle standard. La mine d’Argyle, dans le nord-ouest de l’Australie, première source mondiale de diamants roses avant sa fermeture en 2020, en transgresse une bonne partie¹⁹.

Argyle est atypique à presque tous égards. Le gisement est encaissé non pas dans une kimberlite, mais dans une lamproïte à olivine. Il se situe près de la bordure du craton du Kimberley plutôt qu’au cœur d’un craton archéen. Ses diamants sont pour la plupart éclogitiques, et ses célèbres couleurs rose et rouge proviennent de la déformation du réseau cristallin plutôt que d’une simple impureté chimique.

L’étude d’Olierook soutient qu’Argyle doit son existence à une extension le long d’une ancienne zone de collision continentale, lors du rifting d’un supercontinent²⁰. La contrainte exercée le long de cette cicatrice, refermée depuis longtemps, a ouvert des voies de passage permettant à des magmas profonds inhabituels de s’échapper. L’enseignement pour la prospection est considérable : il pourrait exister d’autres « Argyle » cachés le long d’anciennes zones de collision qui ont connu ensuite une extension, loin des cibles cratoniques archéennes qui dominent la prospection diamantifère depuis un siècle.

Les diamants de laboratoire sont-ils de vrais diamants ?

Oui. Un diamant de laboratoire possède la même structure cristalline, la même dureté, le même indice de réfraction et la même conductivité thermique qu’un diamant naturel. Sur le plan chimique et structural, c’est le même minéral.

Ce qui diffère, c’est la façon dont le diamant est fabriqué et ce que ce procédé laisse derrière lui.

HPHT (haute pression, haute température)

Le procédé HPHT reproduit les conditions du manteau dans une presse. Le carbone se dissout dans un flux de métal fondu, généralement du fer, du nickel et du cobalt, à 5–7 GPa et 1 300–1 600 °C, puis recristallise sur un germe de diamant. Les diamants HPHT contiennent souvent du flux métallique piégé sous forme d’inclusions, présentent fréquemment un habitus cubo-octaédrique et affichent parfois des défauts ponctuels d’azote rares dans la nature. Durée de croissance : de quelques heures à plusieurs semaines, selon la taille, la qualité et les conditions du procédé.

CVD (dépôt chimique en phase vapeur)

La CVD est la technique la plus récente. Un plasma micro-ondes dissocie le méthane et l’hydrogène dans une chambre à basse pression, et les atomes de carbone se déposent couche par couche sur un substrat constitué d’un germe de diamant. Les diamants CVD ont tendance à être très purs, souvent de type IIa, dépourvus d’azote et exempts d’inclusions métalliques, mais ils présentent des motifs de déformation caractéristiques dus à la croissance par couches. Vitesse de croissance : quelques micromètres par heure.

Comment les laboratoires les distinguent

Distinguer un diamant naturel d’un diamant synthétique est aujourd’hui une opération de routine pour les laboratoires gemmologiques accrédités²¹. De nombreux diamants naturels renferment des inclusions d’origine mantellique comme le grenat, l’olivine, un sulfure ou un pyroxène ; les diamants de laboratoire présentent en revanche des figures de croissance, des profils d’impuretés, un comportement en fluorescence et des inclusions caractéristiques d’une synthèse HPHT ou CVD. Les diamants naturels portent aussi des profils d’agrégation de l’azote qui demandent des centaines de millions à des milliards d’années, aux températures du manteau, pour se développer ; les diamants synthétiques n’existent pas depuis assez longtemps. La fluorescence UV, la spectroscopie de photoluminescence et l’absorption infrarouge apportent la confirmation finale.

La leçon géologique cachée dans les diamants de laboratoire, c’est que le cristal de diamant n’a, en soi, rien de spécial. Nous savons le produire de façon industrielle et rapide. Ce qui est rare, c’est le processus naturel. Le manteau fait la même chimie, mais sur des centaines de kilomètres et pendant des milliards d’années.

Comment les géologues trouvent les gisements de diamants

Les diamants sont généralement trop rares pour être recherchés directement au début d’une campagne de prospection. Même les gisements de diamants productifs ne contiennent d’ordinaire que de minuscules quantités de diamant, souvent de l’ordre de moins d’un carat à quelques carats par tonne, soit des grammes ou moins de diamant dans mille kilogrammes de roche. La prospection repose donc sur des signaux indirects.

Les minéraux indicateurs de kimberlite

Les diamants remontent en compagnie d’autres minéraux mantelliques de haute pression, bien plus abondants et bien plus durables dans les conditions de surface. Le cortège classique d’indicateurs comprend :

• Grenat pyrope riche en chrome : en particulier la variété subcalcique G10, associée aux roches mantelliques diamantifères.
• Diopside chromifère : un pyroxène vert vif.
• Ilménite riche en magnésium (picroilménite).
• Chromite.

Chacun peut porter une empreinte chimique qui renvoie à un manteau fertile en diamants. On lave à la batée les sédiments de cours d’eau et le till glaciaire, on examine les grains de minéraux lourds au microscope, puis l’on analyse les grains suspects à la microsonde électronique. Si leur chimie tombe dans le champ des indicateurs de diamant, une kimberlite se trouve quelque part en amont, côté cours d’eau ou côté glacier.

La géophysique

Une fois la zone circonscrite, des levés magnétiques et gravimétriques aéroportés permettent de repérer les petites anomalies à peu près circulaires que produisent typiquement les cheminées de kimberlite. Associées à la traînée de minéraux indicateurs, elles deviennent des cibles de forage. Les découvertes d’Ekati et de Diavik, dans les Territoires du Nord-Ouest canadiens, dans les années 1990, sont des exemples de manuel de cette démarche à l’échelle continentale.

Pourquoi la recette ne fonctionne presque jamais (et pourquoi les diamants sont rares)

Le carbone est l’un des éléments les plus abondants du système Terre. Des billions de tonnes circulent entre l’atmosphère, les océans, la biosphère et la croûte. Alors pourquoi les diamants sont-ils rares ?

Parce que chaque maillon de la chaîne qui les produit est improbable, et que la chaîne est longue. Il faut que le carbone se trouve dans le manteau à une profondeur où la pression dépasse 4 GPa, dans une région assez froide pour rester sous la limite diamant/graphite, au contact d’un fluide ou d’un magma capable de le dissoudre puis de le faire reprécipiter, sous un craton resté intact pendant des milliards d’années. Il faut ensuite qu’il soit amené à la surface par une éruption de kimberlite ou de lamproïte assez rapide pour éviter la graphitisation. On connaît dans le monde plusieurs milliers d’occurrences de kimberlite, mais seule une petite minorité sont des gisements de diamants exploitables économiquement. Une cheminée peut échantillonner la mauvaise profondeur du manteau, remonter trop lentement, perdre des diamants par résorption, ou tout simplement ne pas entraîner beaucoup de diamants au départ. Parmi celles qui en ont entraîné, la plupart ne sont pas rentables.

C’est ce qui rend la prospection du diamant si étrange : dans la bonne cheminée, les diamants sont une matière première exploitable. À quelques kilomètres de là, ils pourraient tout aussi bien ne pas exister.

Ce que les diamants nous apprennent sur l’intérieur profond de la Terre

Les inclusions de diamants sont des échantillons directs, prélevés in situ, de l’intérieur de la Terre à des profondeurs que nous ne forerons jamais. Trois découvertes se distinguent.

La ringwoodite de Juína (Pearson et al., 2014) a chiffré l’eau présente dans la zone de transition du manteau. L’état d’hydratation global reste contesté, mais l’existence d’une quantité significative d’eau entre 410 et 660 km de profondeur ne fait plus de doute.

Les inclusions de fer, de nickel et de soufre des diamants CLIPPIR (Smith et al., 2016, 2021) ont montré que du matériau de plancher océanique subduit atteint au moins 660 km de profondeur et y amorce la croissance de diamants. La signature en isotopes lourds du fer de ces inclusions est le meilleur élément de preuve minéralogique dont nous disposions attestant que la géochimie de surface est recyclée jusque dans le manteau le plus profond accessible à l’échantillonnage.

La davemaoïte (Tschauner et al., 2021), si son origine dans le manteau inférieur résiste à la critique de Walter, serait le premier échantillon naturel d’une phase majeure du manteau inférieur, et une fenêtre sur l’endroit où résident réellement les éléments producteurs de chaleur.

Chacune de ces découvertes est née d’un grain minéral piégé, plus petit qu’un grain de sable, souvent à l’intérieur d’un diamant qu’aucun joaillier n’aurait regardé à deux fois. Les diamants n’ont rien de romantique. Ce sont des messagers.

Questions fréquentes

Les diamants sont-ils fabriqués à partir de charbon ?

Non. La plupart des diamants de joaillerie se forment à environ 140–200 km sous la surface, dans le manteau, alors que le charbon se forme à quelques kilomètres sous la surface, dans la croûte. Certains diamants contiennent du carbone de surface recyclé, mais ce carbone est parvenu dans le manteau par l’intermédiaire de sédiments subduits ou de croûte océanique altérée, et non sous la forme d’un morceau de charbon comprimé jusqu’à devenir diamant.

Combien de temps faut-il à un diamant pour se former ?

La cristallisation prend probablement de quelques milliers à quelques millions d’années une fois les conditions réunies. Mais les diamants que nous exploitons ont commencé à se former il y a 1–3,5 milliards d’années. Leur grand âge tient moins à la durée de leur croissance qu’au temps qu’ils ont passé à attendre dans le manteau avant d’être amenés à la surface par une éruption kimberlitique.

Les diamants sont-ils plus vieux que les dinosaures ?

D’environ un ordre de grandeur. La plupart des diamants naturels ont 1–3,5 milliards d’années. Les dinosaures sont apparus il y a environ 230 millions d’années. Un diamant de joaillerie typique est antérieur non seulement aux dinosaures, mais aussi à presque toute la vie multicellulaire.

Quelle est la différence entre diamants naturels et diamants de laboratoire ?

Sur le plan de l’identité minérale, aucune : les deux sont du diamant, du carbone cristallin pur. Les différences tiennent à leur mode de formation. Les diamants naturels ont crû dans le manteau à l’échelle des temps géologiques et renferment des inclusions minérales issues de ce milieu. Les diamants de laboratoire sont synthétisés en quelques jours à quelques semaines et présentent des profils d’impuretés différents. Des laboratoires spécialisés les distinguent par l’analyse des inclusions, la fluorescence et la spectroscopie.

Un diamant peut-il se retransformer en graphite ?

En principe, oui. Le graphite est la forme la plus stable du carbone à la surface de la Terre, donc le diamant est métastable. En pratique, la transformation à température ambiante prendrait plus de temps que l’âge de l’Univers. Les diamants ne deviennent instables à l’échelle de temps humaine que lorsqu’ils sont chauffés à plusieurs centaines de degrés en présence d’oxygène, et ils brûlent alors au lieu de se transformer.

Quel est le plus gros diamant jamais découvert ?

Le Cullinan, extrait en Afrique du Sud en 1905, pesait 3 106,75 carats (621 g) avant la taille. Il a finalement été taillé en 105 pierres individuelles, dont plusieurs font partie des joyaux de la Couronne britannique. Depuis, la mine de Karowe, au Botswana, a livré une nouvelle génération de diamants bruts géants : le Lesedi La Rona de 1 109 carats en 2015, le Sewelô de 1 758 carats en 2019 et le Motswedi en 2024. Le Motswedi avait d’abord été annoncé à 2 492 carats, puis mesuré par le GIA à 2 488,32 carats, ce qui en fait le deuxième plus gros diamant jamais extrait.

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Pour aller plus loin

Les synthèses récentes les plus utiles et les articles originaux sur lesquels repose la science exposée dans cet article :

• Eaton-Magaña, S. et al. (2024). Laboratory-Grown Diamonds: An Update on Identification. Gems & Gemology, GIA.
  Shigley, J. E. (2016). HPHT and CVD Diamond Growth Processes. GIA.
• Stachel, T. & Harris, J. W. (2009). Formation of diamond in the Earth’s mantle. J. Phys.: Condens. Matter 21, 364206. — La synthèse technique moderne la plus citée sur la formation des diamants dans le manteau. Commencez par celle-ci.
• Shirey, S. B. & Shigley, J. E. (2013). Recent advances in understanding the geology of diamonds. Gems & Gemology 49(4), 188–222. — Référence faisant autorité sur l’âge et l’origine des diamants ; en accès libre auprès du GIA.
• Stachel, T., Aulbach, S. & Harris, J. W. (2022). Mineral inclusions in lithospheric diamonds. Reviews in Mineralogy & Geochemistry 88, 307–391. — L’état de l’art actuel.
• Pearson, D. G. et al. (2014). Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond. Nature 507, 221–224. — Découverte d’eau dans la zone de transition.
• Thomas, S.-M. et al. (2015). Quantification of water in hydrous ringwoodite. Frontiers in Earth Science 2:38.
• Tschauner, O. et al. (2018). Ice-VII inclusions in diamonds. Science 359, 1136–1139. — Première preuve directe de l’existence de fluide aqueux libre sous 410 km.
• Tschauner, O. et al. (2021). Discovery of davemaoite, CaSiO₃-perovskite, as a mineral from the lower mantle. Science 374, 891–894. — Et Walter et al. (2022, Science 376, eabo0882) pour la controverse sur l’attribution de la profondeur.
• Smith, E. M. et al. (2016). Large gem diamonds from metallic liquid in Earth’s deep mantle. Science 354, 1403–1405. — L’article sur les CLIPPIR.
• Smith, E. M. et al. (2021). Heavy iron in large gem diamonds traces deep subduction of serpentinized ocean floor. Science Advances 7, eabe9773.
• Russell, J. K. et al. (2012). Kimberlite ascent by assimilation-fuelled buoyancy. Nature 481, 352–356.
• Olierook, H. K. H. et al. (2023). Emplacement of the Argyle diamond deposit into an ancient rift zone triggered by supercontinent breakup. Nature Communications 14, 5274.

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1. Smit, K. V. (2018). “How Do Diamonds Form in the Deep Earth?” Gems & Gemology, GIA. Voir aussi Shirey, S. B. & Shigley, J. E. (2013). “Recent Advances in Understanding the Geology of Diamonds.” Gems & Gemology, 49(4), 188–222. ↩︎
2. Stachel, T. & Harris, J. W. (2009). “Formation of diamond in the Earth’s mantle.” Journal of Physics: Condensed Matter, 21, 364206. Voir aussi Shirey, S. B. & Shigley, J. E. (2013), Gems & Gemology, 49(4), 188–222. ↩︎
3. Shirey, S. B. & Shigley, J. E. (2013). “Recent Advances in Understanding the Geology of Diamonds.” Gems & Gemology, 49(4), 188–222. ↩︎
4. Stachel, T. & Harris, J. W. (2009). “Formation of diamond in the Earth’s mantle.” Journal of Physics: Condensed Matter, 21, 364206. ↩︎
5. Shirey, S. B. & Shigley, J. E. (2013). “Recent Advances in Understanding the Geology of Diamonds.” Gems & Gemology, 49(4), 188–222. ↩︎
6. Stachel, T. & Harris, J. W. (2009). “Formation of diamond in the Earth’s mantle.” Journal of Physics: Condensed Matter, 21, 364206. Voir aussi Stachel, T., Aulbach, S. & Harris, J. W. (2022). “Mineral inclusions in lithospheric diamonds.” Reviews in Mineralogy & Geochemistry, 88, 307–391. ↩︎
7. Shirey, S. B. & Shigley, J. E. (2013). “Recent Advances in Understanding the Geology of Diamonds.” Gems & Gemology, 49(4), 188–222. ↩︎
8. Shirey, S. B. & Shigley, J. E. (2013). “Recent Advances in Understanding the Geology of Diamonds.” Gems & Gemology, 49(4), 188–222. ↩︎
9. Kelley, S. P. et J. A. Wartho. “Rapid kimberlite ascent and the significance of Ar-Ar ages in xenolith phlogopites.” Science 289.5479 (2000) : 609-611. ↩︎
10. Russell, J. K., Porritt, L. A., Lavallée, Y. & Dingwell, D. B. (2012). “Kimberlite ascent by assimilation-fuelled buoyancy.” Nature, 481, 352–356. ↩︎
11. Pearson, D. G. et al. (2014). “Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond.” Nature, 507, 221–224. ↩︎
12. Thomas, S.-M. et al. (2015). “Quantification of water in hydrous ringwoodite.” Frontiers in Earth Science, 2, 38. ↩︎
13. Tschauner, O. et al. (2018). “Ice-VII inclusions in diamonds : Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle.” Science, 359, 1136–1139. ↩︎
14. Hatert, F. et al. (2023). “CNMNC guidelines for the nomenclature of polymorphs and polysomes.” Mineralogical Magazine, 87, 225–232. ↩︎
15. Tschauner, O. et al. (2021). “Discovery of davemaoite, CaSiO₃-perovskite, as a mineral from the lower mantle.” Science, 374, 891–894. ↩︎
16. Walter, M. J. et al. (2022). “Comment on ‘Discovery of davemaoite, CaSiO₃-perovskite, as a mineral from the lower mantle.’” Science, 376, eabo0882. ↩︎
17. Smith, E. M. et al. (2016). “Large gem diamonds from metallic liquid in Earth’s deep mantle.” Science, 354, 1403–1405. ↩︎
18. Smith, E. M. et al. (2016). “Large gem diamonds from metallic liquid in Earth’s deep mantle.” Science, 354, 1403–1405. ↩︎
19. Smith, E. M. et al. (2021). “Heavy iron in large gem diamonds traces deep subduction of serpentinized ocean floor.” Science Advances, 7, eabe9773. ↩︎
20. Olierook, H. K. H. et al. (2023). “Emplacement of the Argyle diamond deposit into an ancient rift zone triggered by supercontinent breakup.” Nature Communications, 14, 5274. ↩︎
21. Olierook, H. K. H. et al. (2023). “Emplacement of the Argyle diamond deposit into an ancient rift zone triggered by supercontinent breakup.” Nature Communications, 14, 5274. ↩︎
22. Eaton-Magaña, S. et al. (2024). “Laboratory-Grown Diamonds : An Update on Identification.” Gems & Gemology, GIA. Voir aussi Shigley, J. E. (2016). “HPHT and CVD Diamond Growth Processes.” GIA. ↩︎