Os diamantes são feitos de carvão? Não. Veja como se formam

Introdução

Um diamante octaédrico bruto da África do Sul. A forma de oito faces reflete a estrutura cristalina cúbica do diamante e é uma das formas clássicas em que os diamantes podem crescer no manto. Foto: James St. John / CC BY 2.0 via Wikimedia Commons.

A história que muitos de nós aprendemos na escola, a de que diamantes são carvão comprimido, é um dos mitos mais teimosos das ciências da Terra. Ele sobrevive porque a geologia real é mais estranha e mais difícil de caber numa caixa de cereal.

O carvão é uma rocha sedimentar da crosta rasa, formada a partir de matéria vegetal soterrada. Os grandes depósitos de pântano que forneceram boa parte do carvão do mundo são, em sua maioria, do Carbonífero e mais jovens: centenas de milhões de anos de idade, não bilhões.¹. A maioria dos diamantes gemológicos naturais já datados tem mais de um bilhão de anos. Muitos se formaram a cerca de 140–200 quilômetros abaixo da superfície, nas raízes frias do manto sob continentes antigos. O carbono deles era carbono do manto, ali residente havia muito tempo, ou carbono de superfície reciclado para o manto por subducção, e não carvão. Os dois compartilham um elemento. Suas histórias geológicas usuais são quase inteiramente diferentes.

Esta é a versão com a qual os geólogos realmente trabalham.

Resposta rápida: como os diamantes se formam

A maioria dos diamantes gemológicos litosféricos se forma a cerca de 140–200 km abaixo da superfície, no manto subcratônico, sob pressões em torno de 5 GPa (cerca de 50.000 atmosferas) e temperaturas próximas de 1.300 °C². Eles cristalizam a partir de fluidos e fundidos ricos em carbono, sob as partes mais antigas e espessas dos continentes. Muitos diamantes naturais já datados são antigos, geralmente com centenas de milhões a bilhões de anos, com populações importantes entre cerca de 1 e 3,5 bilhões de anos de idade. Eles só chegam à superfície quando o magma kimberlítico sobe rasgando a rocha desde bem abaixo da litosfera e os carrega com uma velocidade fora do comum. A jornada é geologicamente abrupta: em alguns modelos, de horas a dias nas etapas-chave da ascensão, e não um lento soerguimento ao longo de milhões de anos.

Por que os diamantes não vêm do carvão

O carvão se forma nos poucos quilômetros superiores da crosta terrestre, quando a matéria vegetal é soterrada em ambientes pantanosos e lentamente transformada por calor e pressão. Os diamantes se formam em condições do manto, nas quais camadas de carvão não existem e não conseguem sobreviver como carvão. Mesmo quando um diamante contém carbono com assinatura isotópica orgânica, esse carbono chegou ao manto por meio de sedimentos subduzidos ou de crosta oceânica alterada, e não como um pedaço intacto de carvão. O carbono de um diamante gemológico típico fazia parte do reservatório de carbono do manto da Terra, ali residente havia muito tempo, ou foi reciclado para o manto por placas oceânicas em subducção muito antes de o diamante chegar à superfície.

A distinção importante não é que o carbono da superfície nunca possa entrar na história do diamante. Pode, sim. O problema é a versão de desenho animado: uma camada de carvão empurrada cada vez mais fundo até virar diamante.

Assim que você compara os contextos geológicos, a história do carvão desmorona depressa:

• O material está errado: o carbono do diamante estava alojado no manto na hora da cristalização; até o carbono de superfície reciclado chegou ao manto por subducção, e não como carvão soterrado.
• A profundidade está errada: os diamantes crescem a cerca de 150–200 km de profundidade, e não em bacias sedimentares rasas.
• A pressão está errada: bacias rasas de carvão nunca alcançam as dezenas de milhares de atmosferas necessárias para a estabilidade do diamante.
• E a época está errada: muitos diamantes têm bilhões de anos, enquanto os grandes depósitos de carvão têm, em sua maioria, centenas de milhões de anos.

Alguns diamantes — especialmente os diamantes eclogíticos discutidos adiante — contêm, sim, carbono reciclado da superfície. Mas esse carbono viajou até o manto dentro de placas oceânicas em subducção centenas de milhões de anos antes de cristalizar como diamante. Não era um pedaço de carvão espremido numa prensa.²

O que o crescimento do diamante realmente exige

Tire o romantismo, e a formação do diamante exige que quatro coisas se alinhem.

1. Carbono

O carbono do diamante está alojado no manto no momento da cristalização, mas estudos de isótopos mostram mais de uma fonte. Parte do carbono parece ser carbono do manto, ali residente havia muito tempo. Parte foi reciclada da superfície por subducção, provavelmente na forma de carbonato, de crosta oceânica alterada ou de carbono sedimentar levado a grandes profundidades do manto. A fração reciclada é bem documentada nos diamantes eclogíticos, cujas assinaturas de isótopos de carbono coincidem com as de sedimentos marinhos e, em alguns casos, com as de biomassa antiga.

2. Pressão

Nas condições certas do manto, o diamante é a forma estável de alta pressão do carbono. Em temperaturas relevantes para o manto, o limite entre grafita e diamante fica em torno de 4–5+ GPa; abaixo desse limite, a grafita é o polimorfo estável, ao passo que, acima dele, o diamante é estável. A maioria dos diamantes gemológicos litosféricos se forma entre cerca de 4,5 e 6 GPa, o equivalente a profundidades de aproximadamente 150–200 km³. Em pressões mais baixas, a grafita é a forma termodinamicamente estável do carbono, mas o diamante pode persistir de modo metaestável se a conversão for bloqueada cineticamente. É por isso que os diamantes sobrevivem na superfície da Terra.

3. Temperatura

O manto é quente, mas não de maneira uniforme. Os diamantes cristalizam entre cerca de 900 e 1.400 °C, quente o bastante para que o carbono se mobilize em fluidos e fundidos, frio o bastante para que o diamante permaneça estável em relação à grafita. Boa parte do manto convectivo é quente demais, a uma dada pressão, para a estabilidade do diamante a longo prazo.

4. Um meio de crescimento

Os diamantes gemológicos não são feitos simplesmente espremendo rocha sólida. Em geral, crescem a partir de fluidos, fundidos ou líquidos metálicos ricos em carbono, muitas vezes por meio de reações redox em rochas do manto. O carbono se dissolve nesses meios. Quando a pressão, a temperatura, a fugacidade do oxigênio ou a química do entorno mudam, o diamante pode cristalizar.

Diagrama de fases pressão–temperatura do carbono. O diamante só é termodinamicamente estável acima de aproximadamente 4–5 GPa. Todo diamante na superfície é, tecnicamente, metaestável. Diagrama: User Femto / domínio público via Wikimedia Commons.

Coloque a pressão em um gráfico contra a temperatura e as regras ficam visíveis. O limite entre diamante e grafita vai de cerca de 4 GPa a 1.000 °C até aproximadamente 5,5 GPa a 1.400 °C. Sob um continente antigo e frio, a geoterma cruza, por pouco, para dentro do campo de estabilidade do diamante, a cerca de 150–200 km de profundidade. A geoterma sob a maioria das bacias oceânicas ou dos cinturões de montanhas jovens não entra nessa mesma janela de estabilidade do diamante. É por isso que os diamantes gemológicos de origem mantélica economicamente importantes são, em sua esmagadora maioria, um fenômeno cratônico: vêm de um tipo particular de continente antigo e frio.

Há mais uma pegadinha, e ela não tem a ver com pressão nem com temperatura. Tem a ver com cinética. Os diamantes na superfície da Terra são, tecnicamente, metaestáveis. Deveriam virar grafita. Mas não viram, porque a energia de ativação da conversão é tão alta que, à temperatura ambiente, levaria mais tempo do que a idade do universo. Os diamantes são eternos na prática, não em princípio.

Onde os diamantes se formam: sob os continentes mais antigos

Diamantes não são rochas crustais. Eles se formam no manto, principalmente sob um tipo particular de continente antigo: os crátons.

Crátons

Os continentes têm uma anatomia oculta. A parte visível, com montanhas, planícies e bacias sedimentares, repousa sobre estruturas mais antigas e profundas, chamadas crátons. Um cráton é um núcleo continental antigo e estável, comumente com núcleos de crosta arqueana e uma espessa e fria quilha de manto litosférico, que pode se estender por aproximadamente 150–250 km abaixo da superfície.⁴.

Essas raízes do manto são as fábricas de diamantes. Elas são frias em relação ao manto circundante, quimicamente empobrecidas (a maior parte de seus componentes fundíveis foi extraída há bilhões de anos) e estáveis em escalas de tempo geológicas. Essa combinação as mantém no campo de estabilidade do diamante pelas longas durações que o crescimento do diamante exige.

O padrão é global, mas seletivo. Famosas províncias diamantíferas se concentram em torno de antigas raízes continentais, incluindo o cráton Kaapvaal, no sul da África, o cráton Siberiano, o cráton Slave, no norte do Canadá, os crátons da África Ocidental e do Congo, e partes da Índia, do Brasil e da Austrália.

Entre os exemplos estão:

• Kaapvaal (sul da África): Cullinan, Letseng, Venetia
• Siberiano (Rússia): Mir, Udachnaya, Iacútia
• Slave (norte do Canadá): Ekati, Diavik, Gahcho Kué
• Africano Ocidental: Serra Leoa, Libéria, Guiné
• Congo / Cassai (África Central): Mbuji-Mayi
• Cráton Amazônico / província Rio Negro–Juruena (Brasil): Juína, incluindo diamantes superprofundos, como a amostra com ringwoodita de Pearson.
• Tanzânia: Williamson e ocorrências diamantíferas tanzanianas relacionadas
• Cráton de Dharwar, sul da Índia: diamantes históricos de Golconda e da região do Krishna.
• Região de Bundelkhand, centro da Índia: província diamantífera de Panna/Majhgawan.
• Superior (Canadá): mina Victor, em Ontário
• Norte-Australiano / Kimberley: incluindo Argyle, uma exceção tratada mais adiante

A cava de Mir, na Iacútia: 525 m de profundidade, 1,2 km de largura, uma seção transversal literal de uma chaminé kimberlítica do Devoniano no cráton Siberiano. Foto: Staselnik / CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Por que a maior parte da Terra não produz diamantes

Cinturões de montanhas jovens não produzem os clássicos diamantes gemológicos de origem mantélica trazidos por kimberlitos. Existem raros microdiamantes metamórficos de ultra-alta pressão em cinturões colisionais, mas eles são outra história geológica e não são lavrados economicamente. A litosfera oceânica moderna não fornece as raízes de manto antigas, frias e espessas necessárias para o sistema clássico de diamantes gemológicos hospedados em kimberlitos. As margens continentais adelgaçadas, como a Costa Leste dos EUA, tampouco. Sua litosfera é fina demais, quente demais, ou ambos: o campo de estabilidade do diamante começa a uma profundidade maior do que a que a litosfera alcança.

Qualquer diamante encontrado em um riacho de montanhas jovens é aluvial: foi erodido de uma rocha mais antiga em algum ponto a montante e transportado até ali pela água. Seu verdadeiro local de nascimento é mais antigo e mais profundo.

Dois tipos de diamantes naturais

A maioria dos diamantes litosféricos se divide em duas grandes famílias: os diamantes peridotíticos, que crescem em peridotito do manto, e os diamantes eclogíticos, que crescem em rochas ligadas à crosta oceânica subduzida.⁵ Os diamantes peridotíticos representam cerca de dois terços dos diamantes litosféricos, enquanto os eclogíticos respondem por boa parte do restante.

Diamantes peridotíticos (tipo P)

Estes se formam em peridotito, a rocha dominante do manto superior. Suas inclusões, minúsculos grãos de olivina, ortopiroxênio e granada piropo rica em cromo aprisionados durante o crescimento, são os mesmos minerais que compõem o manto cratônico. Sua assinatura de isótopos de carbono (δ¹³C ≈ −5 ‰) corresponde à do carbono do manto como um todo. Muitas populações de diamantes do tipo P bem datadas são arqueanas, geralmente com mais de 2,5 bilhões de anos; algumas têm mais de 3 bilhões de anos. Muitos cristalizaram enquanto seus crátons hospedeiros ainda estavam se estabilizando.

Diamantes eclogíticos (tipo E)

Estes têm uma história mais complicada. Suas inclusões, piroxênio sódico e granada cálcica, correspondem ao eclogito, a forma de alta pressão do assoalho oceânico basáltico. O eclogito chega ao manto profundo por subducção: quando placas oceânicas mergulham sob os continentes, o basalto que um dia foi fundo do mar se transforma em eclogito em profundidade.

Os diamantes eclogíticos são especialmente reveladores. Seus isótopos de carbono variam em uma faixa muito mais ampla (−20 a +5 ‰), com uma forte cauda em direção ao carbono isotopicamente leve: o tipo de assinatura que se obtém de matéria biológica ou de sedimentos carbonáticos depositados no oceano. Esse sinal isotópico é uma das pistas mais nítidas de que o carbono da superfície pode ser levado para baixo por subducção e depois aprisionado no diamante.

Os diamantes do tipo E também abrangem uma faixa de idades mais ampla, do final do Arqueano (~2,9 Ga) passando pelo Mesoproterozoico até um passado mais recente. Cada agrupamento de idades corresponde a um evento de subducção antigo distinto, preservado no registro dos diamantes.

Eclogito, com granada piropo (vermelha) em uma matriz azul composta principalmente de glaucofana. As rochas eclogíticas, comumente ligadas à crosta oceânica subduzida, são uma das duas principais associações hospedeiras de diamantes litosféricos. Foto: Minerallo, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons.

Qual é a idade dos diamantes?

Os geólogos datam os diamantes analisando suas inclusões minerais, usando sistemas de decaimento radioativo como relógios ultralentos. As inclusões de sulfeto permitem a datação por rênio-ósmio. As inclusões de silicato permitem a datação por samário-neodímio. Quando há inclusões adequadas, com U ou Pb, os sistemas U–Pb ou de isótopos de Pb também podem ser úteis. A datação de diamantes é difícil porque o próprio diamante geralmente não pode ser datado diretamente, mas a geocronologia de inclusões revelou a estrutura geral das idades de formação dos diamantes.

Depois de décadas de datação de inclusões, o quadro geral é claro: muitos diamantes naturais são antigos, geralmente com entre cerca de 1 e 3,5 bilhões de anos⁶. Os diamantes do tipo P se concentram entre 2,5 e 3,3 Ga. Os do tipo E tendem a ser mais jovens, em sua maioria de 1–2 Ga, mas chegam a ~2,9 Ga.

Para pôr isso em contexto, um diamante gemológico típico é mais antigo que:

• A vida complexa na Terra. Primeiros animais multicelulares: ~600 Ma.
• As plantas terrestres. Primeiras plantas terrestres verdadeiras: ~470 Ma.
• O carvão. Primeiras grandes camadas de carvão: ~360 Ma.
• Os dinossauros. Primeiros dinossauros: ~230 Ma.
• A Pangeia. Último supercontinente: 330–175 Ma.
• O primeiro grande acúmulo de oxigênio na Terra. A maioria dos diamantes do tipo P é anterior ao Grande Evento de Oxidação (~2,4 Ga), embora muitos diamantes do tipo E sejam mais jovens.

Muitos kimberlitos diamantíferos famosos têm de dezenas a centenas de milhões de anos e, portanto, são muito mais jovens que os diamantes que carregam. Alguns magmas transportadores são mais antigos, incluindo lamproítos do Proterozoico, como Argyle.⁷ O diamante é quase sempre incomparavelmente mais antigo que o magma que o trouxe. Um diamante típico passou mais de 90% de sua existência parado, sem se mover, no manto frio, sem fazer nada, antes de ser extraído violentamente durante uma erupção breve e excepcionalmente rápida.

Como os diamantes chegam à superfície: a erupção kimberlítica

Se os diamantes se formam a 150 km de profundidade, como chegam à superfície? Por meio de uma classe de erupção vulcânica tão peculiar que ninguém jamais observou uma. As erupções kimberlíticas mais jovens conhecidas são as de Igwisi Hills, na Tanzânia, datadas por ³He cosmogênico em olivina em aproximadamente 10.000–12.000 anos atrás.

Kimberlitos não são vulcões normais

Um kimberlito é um magma ultramáfico de origem profunda, rico em CO₂: muito pobre em sílica e muito rico em magnésio. Ele se origina abaixo da litosfera e pode fraturar a rocha sobrejacente para cima por mais de 150 km. Os kimberlitos diamantíferos geralmente não formam campos de lava extensos nem cones vulcânicos altos. Eles formam chaminés estreitas, em forma de cenoura, chamadas diatremas: corpos de laterais íngremes preenchidos por rocha vulcânica fragmentada, detritos do manto e, às vezes, diamantes.

Uma chaminé kimberlítica esquemática: o diatrema em forma de cenoura que leva xenólitos do manto com diamantes, de 150 km de profundidade até a superfície, numa erupção violenta e carregada de gás. Diagrama: Asbestos / CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

A perigosa viagem para cima

A viagem para cima precisa ser rápida. Quando um diamante cai abaixo de ~4 GPa, em algum ponto do manto superior durante a subida, a grafita passa a ser o polimorfo estável. Se o diamante permanecer por tempo demais em pressões mais baixas e temperaturas altas, sua superfície começa a se converter em grafita.

As estimativas publicadas da velocidade de ascensão variam conforme a parte da jornada que está sendo medida. Experimentos e modelos sobre a preservação do diamante sugerem que podem ser necessárias velocidades de ascensão de vários metros por segundo para evitar uma grafitização significativa. Estudos de difusão em minerais trazidos para cima por kimberlitos (perda de argônio na flogopita, perda de hidrogênio na olivina) indicam um transporte da fonte até a superfície ao longo de horas a dias, com aceleração durante os estágios finais da ascensão, ricos em voláteis.⁸

As velocidades exatas são debatidas, mas o ponto geral não é: os kimberlitos são extremamente rápidos para magmas que começam tão profundamente. Os kimberlitos estão entre os sistemas magmáticos profundos mais rápidos que conhecemos.

Como o magma acelera

Um artigo de 2012 de Russell e colegas ofereceu uma explicação clara. Os fundidos parentais dos kimberlitos são ricos em CO₂. À medida que sobem, eles assimilam ortopiroxênio das rochas encaixantes do manto, o que eleva o teor de sílica do fundido e faz a solubilidade do CO₂ despencar. O CO₂ dissolvido sai da solução como gás livre; a densidade global do magma desaba; a mistura, agora flutuante, acelera para cima. Russell e colegas descreveram o mecanismo como “flutuabilidade impulsionada pela assimilação”.⁹ Quanto mais perto da superfície o magma chega, mais violentamente o gás se exsolve, e a erupção termina em uma explosão que escava o diatrema.

Um pequeno diamante octaédrico preso em kimberlito serpentinizado. O kimberlito é o transportador dos diamantes, em geral não a rocha em que eles cresceram. Foto: Géry Parent / CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

O que há dentro de um diamante? Pequenas janelas para o manto profundo da Terra

As inclusões em diamantes são minúsculas amostras de profundidades de aproximadamente 150 a 750 km: lugares que nenhuma sonda de perfuração jamais alcançará. Para a geologia da Terra profunda, estão entre os espécimes minerais mais valiosos que temos.

Água na zona de transição

Em 2014, uma equipe liderada por Graham Pearson relatou um pequeno diamante marrom, sem nada de especial, de Juína, no Brasil, contendo um único grão de ringwoodita: um polimorfo de alta pressão da olivina que só é estável entre 520 e 660 km de profundidade¹⁰. A ringwoodita continha água, ligada quimicamente à estrutura cristalina. O grupo de Pearson relatou aproximadamente 1% em peso de H₂O. Uma recalibração de Thomas et al., usando coeficientes de absorção no infravermelho atualizados na mesma amostra, refinou o valor para 1,43 ± 0,27% em peso¹¹.

Aquele único grão aprisionado mostrou que a zona de transição do manto, de 410 a 660 km de profundidade, pode conter água localmente. Quanto de água a zona de transição contém globalmente continua sendo contestado. Indicadores geofísicos indiretos (condutividade elétrica, velocidade sísmica) sugerem que a zona de transição como um todo contém 0,1–1% em peso de H₂O. Se a média fosse o valor da amostra de Pearson, a zona de transição sozinha conteria água equivalente a um ou vários oceanos de superfície. Essa é uma implicação real, não um fato consolidado.

Um cristal de 150 µm de ringwoodita azul sintética. Uma inclusão natural dessa mesma fase, encontrada em um diamante superprofundo brasileiro em 2014, forneceu uma das primeiras amostras minerais diretas da zona de transição da Terra. Foto: Jasperox / CC BY 3.0 via Wikimedia Commons.

Cubo-ice (antes gelo-VII)

Em 2018, Tschauner e colegas identificaram inclusões de gelo-VII, uma forma de alta pressão da água cristalina que só é estável acima de ~2,4 GPa, dentro de diamantes superprofundos¹². Gelo-VII dentro de um diamante significa que havia água líquida a profundidades de pelo menos 410 km quando o diamante se formou, que ela ficou selada em seu interior e que congelou na estrutura de alta pressão durante a ascensão do diamante.

A IMA aprovou a fase como mineral em 2017, originalmente como gelo-VII; sob a nomenclatura atualizada de polimorfos, ela agora se chama cubo-ice. O nome mudou, mas a implicação não: essas inclusões mostram que fluido aquoso pode existir localmente em grandes profundidades do manto.¹³.

Davemaoíta

Em 2021, o grupo de Tschauner identificou a davemaoíta, uma perovskita de silicato de cálcio batizada em homenagem ao físico de altas pressões Ho-kwang “Dave” Mao, dentro de um diamante¹⁴. Prevê-se que a perovskita CaSiO₃ seja uma fase importante do manto inferior (abaixo de 660 km) e que incorpore preferencialmente elementos produtores de calor, como urânio, tório e potássio. A interpretação original era que a inclusão representava a primeira amostra natural de um mineral do manto inferior.

A interpretação é contestada. Walter et al. (2022, Science) argumentaram que os dados são igualmente compatíveis com uma origem litosférica subcratônica e que a composição da inclusão não exige, de forma exclusiva, uma estequiometria de manto inferior¹⁵. O grupo de Tschauner respondeu no mesmo ano. A aprovação e o nome dados pela IMA permanecem. A atribuição de profundidade continua sendo uma questão em aberto.

Diamantes CLIPPIR: algumas das maiores gemas cresceram a partir de líquido metálico

Os maiores diamantes gemológicos do mundo pertencem a uma classe peculiar. CLIPPIR, introduzida por Smith et al. em 2016, vem de Cullinan-like, Large, Inclusion-Poor, Pure, Irregular, Resorbed (do tipo Cullinan, grandes, pobres em inclusões, puros, irregulares, reabsorvidos): uma família de diamantes excepcionalmente grandes, puros e de origem profunda.

Os diamantes CLIPPIR são gigantescos, excepcionalmente puros e vêm de profundidades muito maiores do que as dos diamantes comuns — entre 360 e 750 km, bem dentro do manto sublitosférico¹⁶. As poucas inclusões que contêm não são minerais silicáticos, mas minúsculas bolsas de metal ferro-níquel solidificado, às vezes com carbetos de ferro, muitas vezes cercadas por películas finas de metano e hidrogênio.

Essas bolsas de metal são o verdadeiro meio de crescimento. Os diamantes CLIPPIR precipitaram diretamente de metal Fe-Ni fundido no manto profundo¹⁷. Isso exige condições muito redutoras, como as esperadas em partes do manto profundo onde o ferro metálico pode ser estável.

Um estudo de acompanhamento de 2021 rastreou o ferro até a superfície. Smith e colegas mediram isótopos de ferro em inclusões metálicas de diamantes CLIPPIR e encontraram valores de δ⁵⁶Fe de +0,79 a +0,90 ‰; valores que ficam fora da faixa de qualquer composição de manto conhecida e coincidem com a magnetita formada quando o peridotito do assoalho oceânico reage com a água do mar¹⁸. Alguns dos maiores diamantes gemológicos da Terra, em outras palavras, podem dever sua existência a material rico em ferro que um dia foi fundo do mar e foi arrastado centenas de quilômetros para baixo pela subducção.

Argyle: a mina que quebra as regras habituais

Quase tudo o que você acabou de ler descreve o modelo padrão. A mina de Argyle, no noroeste da Austrália, a maior fonte de diamantes rosa do mundo antes de seu fechamento em 2020, quebra boa parte dele¹⁹.

Argyle é estranha em quase todos os aspectos. Seu hospedeiro não é kimberlito, mas lamproíto de olivina. Ela fica perto da margem do cráton Kimberley, e não bem no interior de um cráton arqueano. Seus diamantes são, em sua maioria, eclogíticos, e suas famosas cores rosa e vermelha vêm da deformação da rede cristalina, e não de uma simples impureza química.

O estudo de Olierook argumentou que Argyle deve sua existência à extensão ao longo de uma antiga zona de colisão continental durante o rifteamento de um supercontinente²⁰. A tensão ao longo dessa antiga cicatriz, já cicatrizada havia muito tempo, abriu caminhos para a fuga de magmas profundos incomuns. A implicação para a exploração é significativa: pode haver outras “Argyles” escondidas ao longo de antigas zonas de colisão que mais tarde sofreram extensão, longe dos alvos em crátons arqueanos que dominam a exploração de diamantes há um século.

Diamantes de laboratório são diamantes de verdade?

Sim. Um diamante de laboratório tem a mesma estrutura cristalina, dureza, índice de refração e condutividade térmica de um natural. Química e estruturalmente, são o mesmo mineral.

O que difere é como o diamante é produzido e o que esse processo deixa para trás.

HPHT (alta pressão, alta temperatura)

O HPHT reproduz as condições do manto em uma prensa. O carbono se dissolve em um fluxo de metal fundido, geralmente ferro, níquel e cobalto, a 5–7 GPa e 1.300–1.600 °C, e recristaliza sobre uma semente de diamante. Os diamantes HPHT muitas vezes contêm fluxo metálico aprisionado como inclusões, com frequência exibem hábito cuboctaédrico e às vezes apresentam defeitos pontuais de nitrogênio raros na natureza. Tempo de crescimento: de horas a semanas, dependendo do tamanho, da qualidade e das condições do processo.

CVD (deposição química de vapor)

O CVD é a técnica mais recente. Um plasma de micro-ondas dissocia metano e hidrogênio em uma câmara de baixa pressão, e os átomos de carbono se depositam camada por camada sobre um substrato de semente de diamante. Os diamantes CVD tendem a ser muito puros, muitas vezes do Tipo IIa, sem nitrogênio e sem inclusões metálicas, mas apresentam padrões de deformação característicos do crescimento em camadas. Taxa de crescimento: alguns micrômetros por hora.

Como os laboratórios os distinguem

Distinguir o natural do sintético é hoje rotina para laboratórios gemológicos credenciados²¹. Muitos diamantes naturais trazem inclusões de origem mantélica, como granada, olivina, sulfeto ou piroxênio; já os diamantes de laboratório mostram feições de crescimento, padrões de impurezas, comportamento de fluorescência e inclusões característicos da síntese HPHT ou CVD. Os naturais também exibem padrões de agregação de nitrogênio que levam de centenas de milhões a bilhões de anos, em temperaturas do manto, para se desenvolver; os sintéticos não existem há tempo suficiente. A fluorescência ultravioleta, a espectroscopia de fotoluminescência e a absorção no infravermelho fornecem a confirmação final.

A lição geológica escondida nos diamantes de laboratório é que o cristal de diamante em si não tem nada de especial. Podemos produzi-lo industrialmente e com rapidez. O que é raro é o processo natural. O manto faz a mesma química, mas ao longo de centenas de quilômetros e de bilhões de anos.

Como os geólogos encontram depósitos de diamantes

Os diamantes costumam ser raros demais para serem procurados diretamente no início da exploração. Até depósitos de diamantes produtivos costumam conter apenas quantidades minúsculas de diamante, muitas vezes da ordem de menos de um quilate a poucos quilates por tonelada, ou seja, gramas ou menos de diamante em mil quilogramas de rocha. Por isso, a exploração depende de sinais indiretos.

Minerais indicadores de kimberlito

Os diamantes sobem junto com outros minerais de alta pressão do manto, muito mais abundantes e mais duráveis nas condições de superfície. O conjunto clássico de indicadores inclui:

• Granada piropo rica em cromo: em especial a variedade subcálcica G10, associada a rocha do manto com teores de diamante.
• Diopsídio cromífero: um piroxênio de verde vivo.
• Ilmenita rica em magnésio (picroilmenita).
• Cromita.

Cada um pode carregar uma impressão digital química que aponta de volta para um manto fértil em diamantes. Sedimentos de rios e till glacial são bateados, os grãos de minerais pesados são examinados ao microscópio e os grãos suspeitos são analisados por microssonda eletrônica. Se a química deles cai no campo dos indicadores de diamante, há um kimberlito em algum ponto a montante do rio ou da geleira.

Geofísica

Depois que a área é delimitada, levantamentos aeromagnéticos e gravimétricos podem resolver as pequenas anomalias, aproximadamente circulares, que as chaminés kimberlíticas costumam produzir. Combinadas com o rastro de minerais indicadores, elas se tornam alvos de sondagem. As descobertas de Ekati e Diavik nos Territórios do Noroeste do Canadá, na década de 1990, são exemplos de manual desse fluxo de trabalho em escala continental.

Por que a receita quase nunca funciona (e os diamantes são raros)

O carbono é um dos elementos mais abundantes no sistema Terra. Trilhões de toneladas circulam pela atmosfera, pelos oceanos, pela biosfera e pela crosta. Então, por que os diamantes são raros?

Porque cada elo da cadeia que os produz é improvável, e a cadeia é longa. O carbono precisa estar no manto a uma profundidade em que a pressão ultrapasse 4 GPa, em uma região fria o bastante para ficar abaixo do limite entre diamante e grafita, em contato com um fluido ou fundido capaz de dissolvê-lo e reprecipitá-lo, sob um cráton que se manteve intacto por bilhões de anos. Depois, ele precisa ser levado à superfície por uma erupção de kimberlito ou lamproíto rápida o bastante para impedir a grafitização. Conhecem-se vários milhares de ocorrências de kimberlito no mundo, mas apenas uma pequena minoria são depósitos de diamantes economicamente viáveis. Uma chaminé pode amostrar a profundidade errada do manto, subir devagar demais, perder diamantes por reabsorção ou simplesmente deixar de arrastar muitos diamantes logo de início. Das que arrastaram, a maioria é inviável economicamente.

É por isso que a exploração de diamantes é estranha: na chaminé certa, os diamantes são uma commodity lavrável. A poucos quilômetros dali, é como se não existissem.

O que os diamantes nos dizem sobre o interior profundo da Terra

As inclusões em diamantes são amostras diretas, in situ, do interior da Terra em profundidades que nunca perfuraremos. Três descobertas se destacam.

A ringwoodita de Juína (Pearson et al. 2014) deu um número para a água na zona de transição do manto. O estado geral de hidratação continua contestado, mas a existência de quantidades significativas de água a 410–660 km de profundidade não está mais em dúvida.

As inclusões de ferro-níquel-enxofre em diamantes CLIPPIR (Smith et al. 2016, 2021) mostraram que o material do assoalho oceânico subduzido alcança pelo menos 660 km de profundidade e dá início ali ao crescimento de diamantes. A assinatura de isótopos de ferro pesados dessas inclusões é a melhor evidência mineralógica de que dispomos de que a geoquímica da superfície é reciclada para o manto mais profundo acessível à amostragem.

A davemaoíta (Tschauner et al. 2021), se sua origem no manto inferior resistir à crítica de Walter, seria a primeira amostra natural de uma fase importante do manto inferior e uma janela para onde os elementos produtores de calor realmente residem.

Cada uma dessas descobertas veio de um grão mineral aprisionado, menor que um grão de areia, muitas vezes dentro de um diamante para o qual nenhum joalheiro olharia duas vezes. Os diamantes não são românticos. São mensageiros.

Perguntas frequentes

Os diamantes são feitos de carvão?

Não. A maioria dos diamantes gemológicos se forma a cerca de 140–200 km abaixo da superfície, no manto, enquanto o carvão se forma a poucos quilômetros abaixo da superfície, na crosta. Alguns diamantes contêm carbono de superfície reciclado, mas esse carbono chegou ao manto por meio de sedimentos subduzidos ou de crosta oceânica alterada, e não como um pedaço de carvão espremido até virar diamante.

Quanto tempo um diamante leva para se formar?

A cristalização provavelmente leva de milhares a milhões de anos, uma vez que as condições estejam adequadas. Mas os diamantes que extraímos começaram a se formar há 1–3,5 bilhões de anos. A idade avançada deles tem menos a ver com o tempo de crescimento e mais com o tempo que passaram à espera no manto antes de serem levados à superfície por uma erupção kimberlítica.

Os diamantes são mais antigos que os dinossauros?

Por cerca de uma ordem de grandeza. A maioria dos diamantes naturais tem de 1 a 3,5 bilhões de anos. Os dinossauros apareceram pela primeira vez há cerca de 230 milhões de anos. Um diamante gemológico típico é anterior não só aos dinossauros, mas também à maior parte da vida multicelular como um todo.

Qual é a diferença entre diamantes naturais e de laboratório?

Em identidade mineral, nenhuma: ambos são diamante, carbono cristalino puro. As diferenças estão em como se formam. Os diamantes naturais cresceram no manto ao longo de escalas de tempo geológicas e contêm inclusões minerais desse ambiente. Os diamantes de laboratório são sintetizados em dias a semanas e têm padrões de impurezas diferentes. Laboratórios especializados os distinguem por meio da análise de inclusões, da fluorescência e da espectroscopia.

Um diamante pode voltar a virar grafita?

Em princípio, sim. A grafita é a forma mais estável do carbono na superfície da Terra, portanto o diamante é metaestável. Na prática, a conversão à temperatura ambiente levaria mais tempo do que a idade do universo. Os diamantes só se tornam instáveis em escalas de tempo humanas quando aquecidos a várias centenas de graus na presença de oxigênio e, nesse ponto, queimam em vez de se converter.

Qual é o maior diamante já encontrado?

O Cullinan, recuperado na África do Sul em 1905, pesava 3.106,75 quilates (621 g) antes de ser lapidado. Acabou sendo lapidado em 105 pedras individuais, várias das quais integram as Joias da Coroa Britânica. Desde então, a mina de Karowe, em Botsuana, produziu uma nova geração de diamantes brutos gigantes: o Lesedi La Rona, de 1.109 quilates, em 2015, o Sewelô, de 1.758 quilates, em 2019, e o Motswedi, em 2024. O Motswedi foi anunciado originalmente com 2.492 quilates e depois medido pelo GIA em 2.488,32 quilates, o que o torna o segundo maior diamante já recuperado.

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Leituras complementares

As revisões recentes mais úteis e os artigos originais por trás da ciência apresentada neste artigo:

• 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. — A revisão técnica moderna mais citada sobre a formação de diamantes no manto. Comece por aqui.
• Shirey, S. B. & Shigley, J. E. (2013). Recent advances in understanding the geology of diamonds. Gems & Gemology 49(4), 188–222. — Referência de autoridade sobre as idades e as origens dos diamantes; disponível gratuitamente pelo GIA.
• Stachel, T., Aulbach, S. & Harris, J. W. (2022). Mineral inclusions in lithospheric diamonds. Reviews in Mineralogy & Geochemistry 88, 307–391. — O estado da arte atual.
• Pearson, D. G. et al. (2014). Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond. Nature 507, 221–224. — A descoberta de água na zona de transição.
• 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. — A primeira evidência direta de fluido aquoso livre abaixo de 410 km.
• Tschauner, O. et al. (2021). Discovery of davemaoite, CaSiO₃-perovskite, as a mineral from the lower mantle. Science 374, 891–894. — E Walter et al. (2022, Science 376, eabo0882) para a disputa sobre a atribuição de profundidade.
• Smith, E. M. et al. (2016). Large gem diamonds from metallic liquid in Earth’s deep mantle. Science 354, 1403–1405. — O artigo sobre os 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. Ver também 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. Ver também 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. Ver também 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., e 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. Ver também Shigley, J. E. (2016). “HPHT and CVD Diamond Growth Processes.” GIA. ↩︎