Kimberliitit

Vanuxen kuvasi ensimmäiset kimberliitit vuonna 1837 Ludlowivillessä lähellä Ithacaa, New Yorkin osavaltiossa; termi kimberliitti otettiin kuitenkin käyttöön Lewisin (1887) toimesta kuvaamaan timantteja sisältäviä, porfyriittisiä kiilleliuskeperidotiitteja Kimberleyn alueella Etelä-Afrikassa. Kimberliitit ovat erittäin magnesiapitoisia (MgO > 25 painoprosenttia) magmakiviä, jotka sisältävät runsaasti haihtuvia aineita (vettä, hiilidioksidia ja fluoria) ja sisältävät poikkeuksellisen paljon alkuaineita, kuten K:ta, Na:ta, Ba:ta, Sr:ää, harvinaisia maametalleja, Ti:tä, Zr:ää, Nb:tä ja P:tä. Yksinkertaisesti sanottuna kimberliitit muodostavat hybridikiviryhmän, joka käsittää ryhmän runsaasti haihtuvia aineita (pääasiassa hiilidioksidia) sisältäviä kalimaasälpäisiä ultraemäksisiä kiviä ja jolla on selvä epäekvigranulaarinen rakenne, joka johtuu makrokiteistä (ja/tai megakiteistä), jotka ovat hienorakeisessa matriisissa.
Kimberliittien tekstuuristen, mineralogisten, petrografisten ja geokemiallisten ominaisuuksien suuren monimuotoisuuden vuoksi niille on ehdotettu erilaisia määritelmiä ja luokituksia.

Tekstuurisiin ja geneettisiin variaatioihin perustuva luokittelu:

Tässä Clementin ja Skinnerin (1979) ehdottamassa mallissa, joka perustuu tekstuurisiin piirteisiin, tunnistetaan kolme geneettistä fasiota kimberliittikivistä.
1) Crater Facies Kimberlite
2) Diatreme Facies Kimberlite
3) Hypabyssal Facies Kimberlite
♦ 1) Crater Facies: Syöpymättömän kimberliitin pintamorfologialle (kuva 1) on ominaista halkaisijaltaan jopa 2 km:n kraatteri, jonka pohja voi olla 150-300 m pinnan alapuolella. Kraatteri on yleensä syvimmillään keskellä, ja sen ympärillä on tuffikehä, joka on suhteellisen pieni, yleensä alle 30 metriä, verrattuna kraatterin halkaisijaan. Kraatterifasieita edustavat pyroklastiset (purkautumisvoimien seurauksena muodostuneet) ja epiklastiset kivet (pyroklastisen aineksen fluviaalinen muuttuminen), ja ne eroavat toisistaan sedimenttisen (kerrostuneen) laskeuman perusteella.

Kuva 1: Kraatterifasieksen kimberliitti. Muokattu Mitchellin 1986 mukaan.

Kraatterifasieksen kimberliiteissä esiintyy kahta pääkiviluokkaa: pyroklastisia eli purkauksellisten voimien laskeuttamia kiviä ja epiklastisia eli veden muokkaamia kiviä.
Pyroklastiset kivet: Nämä kivet ovat säilyneet kraatterin ympärillä ja kraatterin sisällä olevissa tuffirenkaissa. Tuffirenkaiden korkeus on pieni. Igwissi Hills Tansaniassa ja Kasami Malissa ovat putkia, joissa on hyvin säilyneitä tuffirenkaita (kuva 2). Kerrostumat ovat yleisesti kerrostuneita, rakkulamaisia ja karbonatisoituneita. Kraatterin sisällä säilyneet tuffiesiintymät ovat myös harvinaisia; Tansaniassa sijaitsevia Igwissi Hillin putkia on kuitenkin tutkittu, ja niissä on havaittu kolme erillistä yksikköä. Ylhäältä alaspäin ne ovat:

1. Hyvin kerrostuneet tuffikerrostumat, joita määrittävät lapilli- ja tuhkakokoiset hiukkaset.
2. Huonosti kerrostuneet karkeat pyroklastiset kivet.
3. Perusbrekkiat.
Epiklastiset kivet: Nämä sedimentit edustavat diatreemin päälle muodostuneen kraatterijärven kraatterirenkaan tuffikehästä peräisin olevan pyroklastisen aineksen fluviaalista uudelleenkäsittelyä. Ne ovat monimutkaisia ja muistuttavat sarjaa päällekkäisiä alluviaaliviuhkoja, joihin on sekoittunut lakustrisia kerrostumia.

Kuva 2: Igwisi Hillsin kimberliittikraatteri. From The earth story.

♦ 2) Diatreme Facies: Kimberliitin diatreemiselle faasille on ominaista porkkananmuotoinen kappale, jolla on lähes pyöreä tai elliptinen ääriviiva pinnalla ja jyrkästi (80°-85°) kallistuvat seinämät. Näiden faasien syvyys voi joskus olla yli 2 km. Diatremisille fasiiteille on ominaista fragmentaalisuus, ja kulmikkaiden tai pyöreiden maakivifragmenttien (joiden koko vaihtelee muutamasta senttimetristä submikroskooppisen pieniin) läsnäolo antaa niille oman identiteettinsä. Tämän fasiitin muodostavat autoliitit (aiempien kimberliittisukupolvien pyöristetyt fragmentit), pellettilapillit (suuret pyöreät tai elliptiset lapillin kokoiset klastit, joita edustaa suuri anedrinen oliviini tai flogopiitti ytimen muodossa, joka on optisesti erottamattoman mikrofenokristallimatriisin ympäröimä), pirstoutuneet vaippaksenoliitit, joita edustavat erilliset ja murtuneet oliviinigranaatti-, klinopyrokseeni- ja ilmeniittirakeet, jotka on sijoitettu magneettiseen kiteytymistuotteeseen, joka koostuu mikrofenokiteistä ja perusmassasta.
♦ 3) Hypabyssal-fasies: Hypabyssiaalisen fasiitin kimberliitit ovat kiviä, jotka ovat muodostuneet haihtumispitoisen kimberliittimagman kiteytymisestä. Makroskooppisesti ne ovat massiivisia kiviä, joissa makrokiteinen oliviini ja muut makrokiteet (ilmeniitti, flogopiitti, granaatti) ovat yleisesti näkyvissä. Niissä näkyvät magmaattiset tekstuurit ja magmaattisen erilaistumisen vaikutukset. Joitakin tälle fasiitille tyypillisiä tekstuuripiirteitä ovat: 1. Pyroklastisten fragmenttien ja tekstuurien puuttuminen, 2. Flogopiitin myöhäisvaiheen poikiliittisen kasvun esiintyminen, 3. Segregaatiotekstuurit, joihin liittyy kalsiitin ja serpentiinin segregaatiota. 4. Virtauskaistaleet, jotka on merkitty mikrofenokristallien etuoikeutetulla suuntautumisella.

Kuva 3: Idealisoidun kimberliittijärjestelmän malli, jossa havainnollistetaan hypabyssaliitti-, diatremi- ja kraatterifasies. Lähteestä Mitchell (1986).

Isotooppikoostumuksen erojen perusteella Smith (1983) luokitteli kimberliitit kahteen ryhmään: Ryhmän I ja ryhmän II kimberliitit.

♦ Ryhmän I kimberliitit: Ryhmään I kuuluvat klassisimmat kimberliitit, joita alun perin kutsuttiin basalttikimberliiteiksi: Toisin sanoen ultrabasiset (SiO2 1), haihtuvia aineita (pääasiassa hiilidioksidia) sisältävät kivet, joille on ominaista magnesiumrikkaiden mineraalien, kuten oliviinin, ilmeniitin, pyrogeenisen granaatin, vaihtelevasti kromirikkaan diopsidipyrokseenin, flogopiitin, enstatiitin ja Ti-köyhän kromiitin, makro- ja megakiteiden esiintyminen hienossa matriksissa, joka koostuu oliviinista, serpentiinistä, karbonaatista, karbonaatista ja muista Mg:tä ja/tai Ca:ta sisältävistä ylimääräisistä mineraaleista. Sekä makro- että megakristallit ovat ainakin osittain ksenokristalleja tai satunnaisia kiteisiä komponentteja, jotka ovat peräisin nousevan kimberliittimagman läpileikkaamien maakivien (lähinnä syvällä sijaitsevien vaipan peridotiittien ja eklogiittien) rikkoutumisesta.
♦ Ryhmän II kimberliitit (orangeiitit): ovat ultrapotaskaalisia (K/Na > 3), peralkalisia (/Al > 1), runsaasti haihtuvia aineita (pääasiassa H2O) sisältäviä kivilajeja, joille on ominaista flogopiitin ja oliviinin esiintyminen makrokiteinä, pohjamassassa, joka koostuu flogopiitista, oliviinista ja diopsidista, joka on yleisesti vyöhykkeistetty titaaniageriittiin, spinelliin, jonka koostumus vaihtelee Mg-pitoisen kromiitin ja Ti-pitoisen magnetiitin välillä, perovskiittiin ja muihin mineraaleihin. Niillä on suurempi mineraloginen sukulaisuus lamproiittien kuin ryhmän I kimberliittien kanssa.

Kimberliittien levinneisyys maailmassa

Kimberliittejä on levinnyt maailman kaikkiin maanosiin (kuva 4). Eri puolilla maailmaa esiintyvien kimberliittien levinneisyysmallien perusteella Clifford (1966) havaitsi, että taloudellisesti käyttökelpoiset kimberliitit esiintyvät pääasiassa prekambrikauden kratoneilla, erityisesti arkeeisen iän omaavilla kratoneilla (jotka ovat vanhempia kuin n. 2,5 Ga). Tämä havainto tuli myöhemmin tunnetuksi Cliffordsin sääntönä. Yhtään ensisijaista timanttiesiintymää ei tunneta alle 1,6 Ga:ta nuoremmissa maankuoren terraaneissa. Tämä erikoinen yhteys viittaa siihen, että timanttien esiintymisen ja subkontinentaalisen litosfäärin iän välillä on yhteys, ja Cliffordin sääntöä on pitkään pidetty arvokkaana valintakriteerinä timanttien etsintäohjelmissa. Tässä yhteydessä on syytä huomata, että timanttipitoiset kimberliitit ovat yleensä nuoria verrattuna sen litosfäärin ikään, johon ne ovat tunkeutuneet. Monet (mukaan lukien useimmat eteläafrikkalaiset esimerkit) ovat liitukaudelta, monet muut ovat paleotsooisia (kuten Sahan tasavallassa Siperiassa), mutta koko joukko ulottuu proterotsooisesta neogeeniin (kuten eräät 22 Ma:n ikäiset esimerkit Länsi-Australiassa).

Kuva 4: Kimberliittien maailmanlaajuinen jakautuminen.

Kimberliittien emplaatiomallit

Kimberliittiputkien emplaatiosta on vuosien varrella ehdotettu erilaisia malleja. Näitä ovat mm: 1) Räjähdysporausteoria, 2) Fluidisaatioteoria, 3) hydrovulkaniittiteoria ja 4) Embryonic Pipe Theory.
Räjähdysvulkaniittiteoria
Kimberliitin vulkaaninen luonne tunnustettiin pian (Lewis 1887, Bonney 1899), ja Geikien (1902) esittämien ajatusten vaikutuksesta, joilla selitettiin samankaltaisten diatreemien syntyä Skotlannissa, ehdotettiin, että kimberliitit sijoitettiin räjähdysporauksella (Wagner 1914). Kimberliittisiä diatremeja pidettiin näin ollen vulkaanisina aukkoina, jotka purkautuivat räjähdysmäisesti jopa 2 kilometrin syvyydestä. Purkauksen katsottiin saaneen alkunsa magmaattista alkuperää olevien, voimakkaasti kokoonpuristuneiden höyryjen ja kaasujen voimakkaasta räjähdysmäisestä vapautumisesta. Taso, jolla tämä tapahtui, on nykyään merkitty siirtymällä feeder dikestä diatreemiksi.
Kimberliitti-magman katsotaan nousevan syvältä vaipasta halkeamia ja halkeamia pitkin. Magman uskotaan sisältävän liian vähän haihtuvia aineita, jotta suora räjähdysmäinen purkaus olisi mahdollista, ja sen nousu pysähtyy siksi, kun saavutetaan jokin läpäisemätön taso. Lammikoituminen tuottaa magmakammioita suhteellisen matalissa syvyyksissä, joita kutsutaan välikammioiksi. Kiteytyminen näissä kammioissa johtaa haihtuvien aineiden kertymiseen. Lopulta syntyy riittävä paine, joka aiheuttaa katon vääntymisen ja murtumisen. Kimberliitin räjähdysmäinen purkautuminen ja samanaikainen kanavan murtuminen seuraa, kunnes ylipaine vähenee. Prosessin toistuminen voi selittää moninkertaisen intruusion yhdestä purkausaukosta tai lähekkäin olevien diatremien esiintymisen, jos katon murtuminen tapahtuu hieman eri kohdissa magmakammion yläpuolella.
Laaja-alaisten kaivausten ansiosta on selvää, että tämä teoria on kestämätön. Tärkeimmät argumentit hypoteesia vastaan, joko alkuperäisessä muodossaan (Wagner 1914) tai muunneltuna, ovat seuraavat:
1) Voimakkaasta tunkeutumisesta ei ole todisteita, ylöspäin suuntautuvaa konsentrista murtumista ei ole havaittavissa; 2) syvyydessä ei ole räjähdyskeskittymiä, ei diatremien pohjalla eikä juurivyöhykkeissä; 3) syvä louhinta ei ole myöskään paljastanut välikammioita; 4) räjähdysporaus ei ole sopusoinnussa brekkiakivien rajautumisen kanssa johtokäytävien sisäosiin, joista jotkut eivät ole koskaan päässeet pinnalle. 5) ksenoliittien vyöhykkeinen sijoittuminen, ksenoliittien vajoaminen ja mega-xenoliittikokoonpanossa jo olemassa olevan maakivikerrostuman säilyminen eivät ole sopusoinnussa räjähdysmäisen kourunraivauksen kanssa; 6) diatreemin sisälle on löydetty maakiviprojektioita, jotka eivät olisi voineet selvitä räjähdysmäisestä toiminnasta.

Fluidisaatioteoria
Dawson (1962, 1967a, 1971, 1980) on ollut tärkein kimberliittidiatreemien fluidisoituneen emplaation puolestapuhuja. Hän uskoo, että sulkeumien jakautuminen, pyöristyminen ja raidoitus, eri syvyyksistä peräisin olevien ksenoliittien rinnakkain asettuminen, maakivilohkareiden ympäröiminen ja osittainen irtoaminen, ylöspäin painumisen puuttuminen ja termisten metamorfisten vaikutusten puuttuminen voidaan selittää vain tällä prosessilla. Dawson siis kuvittelee, että kaasulla ladattu kimberliittimagma nousee ylemmästä vaipasta halkeamajärjestelmän kautta. Sopivissa kuoren heikkouspisteissä murtautuminen pintaan tapahtuu 2-3 kilometrin syvyydestä. Magmaattisten kaasujen (pääasiassa hiilidioksidin) adiabaattinen laajeneminen tapahtuu, ja räjähdyssuihku laajenee ja täyttyy fluidisoituneilla kimberliittipalasilla, jotka poraavat ylöspäin hiekkapuhallusvaikutuksella ja noudattavat suuria liitosjärjestelmiä. Joissakin diatreemeissa myöhemmät kaasuvirtaukset synnyttävät erottuvia tuffipatsaita, kun taas aukon onkalot saattavat täyttyä magmalla, joka konsolidoituu massiiviseksi kimberliitiksi tai sisältää klasteja muodostaen kimberliittibrekkiat.
Kaikki vulkanologit eivät ole hyväksyneet fluidisoitumisen kautta tapahtuvaa diatreemien muodostumista, ja erityisesti ne, jotka uskovat diatreemien muodostuvan hydrovulkanisten prosessien avulla, ovat torjuneet sen. Tärkeimmät fluidisaatiota vastaan esitetyt argumentit ovat seuraavat:
On hyvin epätodennäköistä, että hitaasti jäähtyvistä magmoista, jotka ovat syvällä maankuoressa, irtoaisi suuria höyrynpaineita ja suuria määriä kaasuja. Nopeaa vesikulaatiota voi tapahtua vain matalissa syvyyksissä, ja lisäksi nämä intruusiot ovat tilavuudeltaan niin pieniä, että on kyseenalaista, voisivatko ne tuottaa riittäviä määriä haihtuvia aineita tukemaan kahden kilometrin pituista fluidisoitunutta kerrostumaa. Ei ole selvitetty, miksi kaasufaasin pitäisi liueta kerralla ja hajottaa magma pyroklasteiksi tai miksi muut kimberliittierät eivät liueta kaasuja samalla tavalla. Autoliittiset klastit eivät ole diatreemifaasiin kuuluvissa kimberliiteissä rakkulamaisia tai sirpaleisia, vaan ne ovat yleensä kulmikkaita ja murtuneita, eikä niissä ole merkkejä hiontapiirteistä, joiden odotetaan olevan seurausta siitä, että ne ovat osallistuneet kaasun ja aineksen virtaukseen. Suurin osa ksenoliittiklasteista on kulmikkaita, eivätkä ne näin ollen ole joutuneet pitkäaikaisen aggregatiivisen kuplivan fluidisaation kohteeksi. Ksenoliittien keskittyminen tiettyihin horisontteihin ja karkean stratigrafian säilyminen mega-xenoliittisarjassa ei ole sopusoinnussa pitkän kuplivan fluidisaation kanssa. Ksenoliittien esiintyminen ei sovi yhteen vaaditun varhaisemman ajanjakson kanssa, jolloin putken eroosio on laajentunut suurnopeuksisen kaasu-tuffi-virtauksen vaikutuksesta.

Yhteenvetona voidaan todeta, että vaikka fluidisaatiohypoteesi on laajalti hyväksytty diatreemien sijoittumisen mekanismiksi, sillä ei ole merkittävää roolia kimberliittisten diatreemien muodostumisessa.
Hydrovulkanismiteoria
Hydrovulkanismilla tarkoitetaan vulkaanisia ilmiöitä, jotka syntyvät magman tai magmaattisen lämmön vuorovaikutuksesta ulkoisen vesilähteen, kuten pintakappaleen tai pohjavesialueen, kanssa. Tämän teorian tärkein kannattaja on Lorenz (1999). Lorenz ehdottaa, että diatremit ja maarit muodostuvat hydraulisesti aktiivisille alueille, joissa on rakenteellisia heikkouksia, kuten vikoja tai lineamentteja. Tämän seurauksena syntyvä hydrovulkaninen räjähdys pirstoo ja jäähdyttää magman ja breksioi maakerroksen. Hydroklastiset jäänteet voivat purkautua maaria ympäröivänä tuffirenkaana. Jatkuva toiminta johtaa halkeaman laajentumiseen, kun seinämäkallion rikkoutuminen jatkuu ja kallio lohkeilee halkeamaan seinämäkallion ja veden ja magman vuorovaikutuksessa muodostuvan räjähdyskammion välisten paine-erojen seurauksena.
Lorenzin hypoteesi diatremin muodostumisesta on houkutteleva, koska sillä voidaan selittää seuraavat kimberliittisten diatremien piirteet: Diatreemit (ja maarit) liittyvät yleisesti ottaen selvästi lineaarisiin piirteisiin. Monien kimberliittien diatremien alemmilla tasoilla on havaittavissa, että ne sijaitsevat dikejen ja murtumien risteyskohdassa. Syöttödiikit näyttävät nousseen jo olemassa oleviin murtumajärjestelmiin. Kaikki nämä heikkousvyöhykkeet voivat olla hydraulisesti aktiivisia. Diatremeja kehittyy yleisesti paksujen sedimentti- ja vulkaanisten kivien paksuihin jaksoihin, joissa on suuri huokoisuus ja läpäisevyys. Diatreemeja esiintyy harvemmin heikosti läpäisevissä kivilajeissa, kuten graniittigneississä. Kimberliittien diatreemit esiintyvät ryhminä. Myös modernit maarit ja tertiääriset diatremit esiintyvät ryhmittäin, ja niiden läheinen maantieteellinen yhteys liittyy ilmeisesti paikalliseen hydrologiseen järjestelmään. Mega-xenoliitit (kelluvat riutat) tulkitaan maanvyörymien ja/tai vajoamisen aiheuttamiksi piirteiksi. Epiklastisen kimberliitin esiintyminen& viittaa siihen, että diatreemin yläpuolella oleva kraatteri oli ajoittain täynnä vettä. Näiden kimberliittien lohkareiden esiintyminen syvällä diatreemin sisällä osoittaa, että myöhemmät purkaukset voivat häiritä kraatterijärveä. Tyhjennys ilmeisesti edistää hydrovulkanisia purkauksia alapuolisessa diatreemissa.
Embriittiputkiteoria
Tunnustaessaan kimberliittiputkien monimutkaisuuden Clement (1979, 1982) uskoo, että mikään yksittäinen prosessi ei voi selittää niiden moninaisia geologisia ja petrografisia ominaisuuksia. Hänen mallissaan juurivyöhykkeet tulkitaan alkioisiksi putkiksi, jotka muokkautuvat pintamurtuman jälkeisen fluidisaation myötä diatremeiksi.

Tämän teorian mukaan syvyydestä nousevien kimberliittimagmahuippujen uskotaan kehittävän esiasteena haihtuvan vaiheen, joka johtuu paineen alenemisen seurauksena vapautuneen hiilidioksidin ekssoluutiosta. Koska tämä haihtuva vaihe on korkeassa paineessa, se tunkeutuu intruusion yläpuolella ja reunoilla olevien seinämäkivien murtumiin ja saumoihin. Kontaktimurroksen etenemisrintamaa seuraa magma, joka tunkeutuu brekseihin ja mahdollisiin saumoihin tai murtumiin. Intruusion brekkiat muodostuvat ja seinämän kivet kiilautuvat kanavaan. Etenevän magman kulkua ohjaavat jo olemassa olevat rakenteet. Muutos halkeamien täyttymisestä juurivyöhykkeen kehittymiseen voi johtua haihtuvien aineiden lisääntyvästä liukenemisesta paineen laskiessa nousun aikana, diken ja hyödynnettävissä olevan tai pohjavettä sisältävän halkeaman risteyksestä.
Tämän prosessin kuvitellaan jatkuvan, kunnes magma saavuttaa tason, jossa räjähdysmäinen läpimurto pintaan on mahdollinen. Clement (1979, 1982) uskoo, että tämä tapahtuu 300-400 metrin korkeudessa ja että pohjaveden ja magman vuorovaikutukset voivat edistää sitä. Läpimurron ja paineen vapautumisen seurauksena juurivyöhykkeessä olevan magman uskotaan kaasun poistuvan nopeasti ja muodostuvan höyryn, nesteen ja kiinteän aineen välisestä fluidisoituneesta järjestelmästä.
Höyryn purkautumispinnan uskotaan vaeltavan nopeasti alaspäin laajenemisen ja edelleen tapahtuvan paineen vapautumisen seurauksena (kuva 5). Tämän fluidisaation aikana jo olemassa olevat juurivyöhykkeen hypabyssaliittiset kimberliitit, korkean tason kontaktibrekkiat ja kaasunpoistomagma sekoittuvat perusteellisesti. Maakiviklastien pyöristymisen puuttuminen osoittaa, että fluidisoitunut järjestelmä oli olemassa vain lyhyen aikaa. Koko prosessin toistaminen tuottaa diatreemeja, jotka sisältävät useita eri lajikkeita diatreemifasieksen kimberliittejä ja hyvin monimutkaisia juurivyöhykkeitä.

Kuva 5: Alkioaikainen putken kehitys. Kontaktimurskautumisen rintama punaisella. Muokattu lähteestä Mitchell, R. H. (1991).

Kuva.6: Clementin (1982) hahmottelemat diatreemin kehitysvaiheet. Alkioputken kehitysvaihetta seuraa joko fluidisaatio (A) tai hydrovulkanismi (B). Muokattu lähteestä Mitchell, R. H. (1991).

Kimberliittiputkien monimutkainen rakenne osoittaa, että mikään yksittäinen prosessi ei ole vastuussa niiden muodostumisesta. Putkien kehittyminen käynnistyy maanpinnan alapuolisista breksaatioprosesseista, jotka johtavat monimutkaisen juurivyöhykkeen muodostumiseen feeder-diikin yläpuolelle. Pintamurtuma ei ole seurausta räjähtävästä porauksesta vaan juurivyöhykekompleksin asteittaisesta noususta tasoille, joilla voi tapahtua kraatterin muodostuminen hydrovulkanisen räjähdyksen seurauksena. Diatreemit näyttävät olevan sekundaarirakenteita, jotka ovat muodostuneet alla olevan juurivyöhykkeen tai alkioisen putken myöhemmästä muokkautumisesta, fluidisaatiosta tai alaspäin suuntautuvasta hydrovulkanismista.

Petrogeneesi

Laaja-alaisesta tutkimuksesta huolimatta kimberliittien alkuperä on edelleen kiistanalainen, erityisesti niiden lähtöalueen luonteen ja syvyyden osalta. Kimberliiteille on tyypillistä, että niihin liittyy joukko mafisia ja ultramafisia ksenoliitteja, joiden mineralogia viittaa alkuperään ylemmässä vaipassa. Tällaiset ksenoliitit ovat johtokäytävän seinämäkallion fragmentteja, jotka kimberliittimagma on irrottanut litosfäärin läpi tapahtuvan nopean nousunsa aikana, ja ne antavat hyödyllistä tietoa siitä, missä ja millaisissa olosuhteissa kimberliittisula on muodostunut. Kimberliittimagmojen uskotaan muodostuvan osittaisen sulamisen kautta syvällä vaipassa.
Kimberliitit, kuten karbonatiititkin, ovat harvinaisia, mutta niitä on löydetty lähes jokaiselta mantereelta, ja ne ovat myös erilaisten ksenoliittien pääasiallinen kuljettaja kuoren ja vaipan syvyyksistä. On tärkeää, että nämä kimberliittien mukanaan tuomat manttelin ksenoliitit ovat ensisijainen tietolähde, josta saadaan tietoa manttelin ja varsinkin mantereiden manttelin fysikaalis-kemiallisten prosessien luonteesta (Pearson et al., 2004). Kimberliitit ovat osa piidioksidilla kyllästymättömien kivien kirjoa, joiden koostumus vaihtelee suuresti ja joihin kuuluvat sellaiset kivilajit kuin melilitiitit, lamprofyyrit ja nefeliniitit (kuva 7). Kimberliittien petrogeneesi on kuitenkin kiistanalainen, ja erimielisyyksiä esiintyy lähdealueen luonteesta ja syvyydestä, siitä, ovatko ne primaarista alkuperää, ja sulamisen syystä (esim. plume vs. haihtuva virtaus) (Keshavet al., 2005).
Kimberliittien synnystä on pitkään pidetty kolmea erityyppistä hypoteesia:
1. Kimberliitit ovat H2O-rikkaan ankeriittisen magman ja graniittisen alakuoren mekaaninen sekoitus (Dawson, 1967).
2. Kimberliitit ovat syntyneet suoraan mafisen tai ultramafisen vaipan osittaisesta sulamisesta korkeissa paineissa (Wagner, 1929; Holmes, 1936).
3. Kimberliitit ovat syntyneet mafisen magman (proto-kimberliitin) erilaistumisesta korkeassa paineessa jatkuvan fraktionaalisen kiteytymisprosessin avulla (Williams, 1932; O’Hara, 1968).
Kimberliittien geologinen liittyminen tiettyihin ksenoliittien sviitteihin ja vertailu kokeellisiin tietoihin antavat tukea viimeiselle hypoteesille (n.3), jota useat muut kirjoittajat ovat aiemmin esittäneet (MacGregor, 1970). Alkuperäisen sulan tai protokimberliitin (Kamenetsky et al. 2008) oletetaan olevan kloridi-karbonaattipitoista nestettä, jonka SiO2-pitoisuus on hyvin alhainen. Kulkiessaan kohti pintaa sen koostumus muuttuu enemmän kimberliittimagman kaltaiseksi, kun se on vuorovaikutuksessa manttelin seinämäkivien kanssa: oliviinin ja muiden manttelin mineraalien assimilaatio lisää nesteen piidioksidipitoisuutta, mikä ajaa sitä kohti kimberliitille ominaista koostumusta, jossa on vähän SiO2:ta ja paljon MgO:ta. Vaikka kimberliittimagmatismin petrologiassa ja geokemiassa on tapahtunut merkittävää edistystä, kimberliittisulan koostumuksen määrittäminen sekä hypabyssaliittisessa faasissa että vaipassa on edelleen kiistanalainen ongelma (Kamenetsky et al., 2009;Russell et al.2012;Sparks et al. 2009; Pesikov et al.,2015).

Kuva 7: Kaavamainen poikkileikkaus arkeeisesta kratonista, jossa on sammunut liikkuva vyöhyke (joka aikoinaan liittyi subduktioon) ja nuori repeämä. Matala kratonin geotermi aiheuttaa grafiitti-diamantti-siirtymän nousun keskiosassa. Litosfäärin timanttia esiintyy näin ollen vain syvän kraatonin juuren peridotiiteissa ja eklogiiteissa, joissa nousevat magmat (enimmäkseen kimberliitti K) sulautuvat niihin. Myös litosfääriset orankeiitit (O) ja jotkin lamproiitit (L) voivat hajottaa timantteja. Melilitiitit (M) syntyvät astenosfäärin laajemmasta osittaisesta sulamisesta; erottelusyvyydestä riippuen ne voivat sisältää timantteja. Nefeliniitit (N) ja niihin liittyvät karboniitit syntyvät laajasta osittaisesta sulamisesta matalissa syvyyksissä repeämäalueilla, eivätkä ne sisällä timantteja. Lähde: Mitchel 2005.

Timantit ja kimberliitit

Kimberliitit ovat tärkein primääritimanttien lähde. Monet kimberliittiputket tuottavat myös rikkaita alluviaalisia tai eluviaalisia timanttiesiintymiä. Maailmasta on löydetty noin 6 400 kimberliittiputkea, joista noin 900 on luokiteltu timanttia tuottaviksi, ja näistä hieman yli 30 on ollut tarpeeksi taloudellisia timanttikaivoksille.
Vaikka timanttikiteitä esiintyykin kimberliiteissä ja niihin liittyvissä kivilajeissa, timantin alkuperä (kuva 7) liittyy läheisemmin peridotiitti- ja eklogiittifragmentteihin, jotka ovat peräisin ylemmästä vaipasta kratonisten (kilpi-) alueiden alta. Timanttien muodostuminen edellyttää erittäin korkeita paineita ja lämpötiloja, joita esiintyy vain näissä maan syvissä kerroksissa. Täällä muodostuu kivi, eklogiitti, joka koostuu punaisesta pyrope-granaatista ja vihreästä klinopyrokseenista; timanttikiteet kehittyvät granaatti- ja pyrokseenikiteiden rinnalle. Myös granaatista, oliviinista ja ortopyrokseenista koostuvat peridotiittisirpaleet (ksenoliitit) sisältävät timantteja, ja ne ovat samalla tavoin peräisin ylemmästä vaipasta. Nämä fragmentit kuitenkin yleensä hajoavat laskeutumisprosessin aikana, jolloin syntyy matriisi, joka sisältää oliviinin, pyrokseenin ja timantin hajonneet mineraalit (ksenokristallit).
Vaikka timanttikiteet muodostuvatkin ylemmässä vaipassa kratonisten alueiden alapuolella, ne voivat pysyä stabiileina vain näissä korkeissa paineissa ja lämpötiloissa. Kimberliitin magmaattisessa nesteessä nopeasti pintaan tuodut vaipan ksenoliitit ja timanttikiteet pystyvät säilymään lähellä pintaa sammutetussa tai metastabiilissa tilassa. Jos kimberliitin intruusio viivästyy sen noustessa pintaan tai jää loukkuun alempaan kuoreen, timanttikiteet eivät ole stabiileja P-T-ympäristössä, vaan ne muuttuvat grafiitiksi.
Juuri kilvialueiden tai kratonien alla timanttikiteet voivat säilyä stabiileina matalammissa syvyyksissä johtuen matalasta geotermisestä gradientista, joka liittyy mantereisen maankuoren alapuoliseen subkraatoniseen köyliin (kuva 7) . Tätä P-T-ympäristöä on kutsuttu timanttien varastointialueeksi (Kirkley, M. B. et. al., 1991). Kiilialue on optimaalinen timanttien lähde, koska kraatonin alapuolella olevat murtumat hyödyntävät todennäköisemmin tätä aluetta ja jäävät pinnan ulottuville.

Karbonaattipitoinen Peuyuk-kimberliitti Somerset Islandilta, Kanadasta. Andrea Giulianilta.

Kimberliitti Bellsbankista, Kimberleyn pohjoispuolelta Etelä-Afrikasta. James St. Johnilta.

Kimberliitti Premier Kimberlite Pipe:stä, Cullinanista, Etelä-Afrikan koillisosasta. James St. Johnista.

Hypabyssal-kimberliitti. Redditistä.

Hypabyssal facies kimberliitti, Masontown, Pennsylvania. Tätä kimberliittikuoppaa ympäröi musta liuske. Wyomingin timantti- ja jalokiviprovinssista.

Diatreme facies kimberliittibrekki Lake Ellenistä, UP, Michigan. Wyomingin timantti- ja jalokiviprovinssista.

Tuffaattinen, kraatterifasieksen kimberliitti Iron Mountainin alueelta. Wyomingin timantti- ja jalokiviprovinssista.

Suuri murtunut kromidiopsidi (kromidiopsidi-jalokivi) megakristalli Sloanin kimberliitissä Coloradosta. Wyomingin timantti- ja jalokiviprovinssista.

Diamantti kimberliitissä. Bultfonteinin kaivos, Kimberley, Baardin piiri. Lähteestä e-rocks.

Timantti kimberliitissä. Bultfonteinin kaivos, Kimberley, Baardin piiri. From e-rocks.

Timantti (6,51 mm) kimberliitissä. Bultfonteinin kaivos, Kimberley, Baardin piiri. From Geology for investors.

Timantti (6,51 mm) kimberliitissä. Bultfonteinin kaivos, Kimberley, Baardin piiri. From Geology for investors.

Bibliografia

– Brown, R. J., Manya, S., Buisman, I., Fontana, G., Field, M., Mac Niocaill, C., & Stuart, F. M. (2012). Eruption of kimberlite magmas: physical volcanology, geomorphology and age of the youngest kimberlitic volcanoes known on earth (the Upper Pleistocene/Holocene Igwisi Hills volcanoes, Tanzania). Bulletin of volcanology, 74(7), 1621-1643.