Kimberlite

最初のキンバライトは、1837年にニューヨーク州Ithaca近くのLudlowivilleからVanuxenによって記述されましたが、キンバライトという言葉は、南アフリカのKimberley地域のダイヤモンド含有、斑状雲母かんらん岩を表すためにLewis (1887) によって導入されました。 キンバリー岩は高マグネシウム質（MgO > 25重量%）のマグマ岩で、揮発性物質（水、二酸化炭素、フッ素）に富み、K, Na, Ba, Sr, 希土類元素, Ti, Zr, Nb, Pなどの含有量が異常なほど多いのが特徴である。 簡単に言えば、キンバライトは、揮発性（主に二酸化炭素）に富むカリ岩石、超塩基性岩石の一群を包含し、細粒マトリックスにセットされたマクロ結晶（および/またはメガ結晶）の存在により、顕著な不規則構造を示す岩石のハイブリッドグループを構成しているのである。
キンバライトは、その組織的、鉱物学的、岩石学的、地球化学的特性が非常に多様であるため、様々な定義や分類が提案されている。

結晶構造と遺伝的変異に基づく分類：

Clement and Skinner, (1979)は結晶構造の特徴に基づき、キンバライト岩石の3つの遺伝相を同定するモデルを提案した。
1) Crater Facies Kimberlite
2) Diatreme Facies Kimberlite
3) Hypabyssal Facies Kimberlite
♦ 1) Crater Facies．（クレーター岩面）． 風化していないキンバライトの表面形態（図1）は、直径2kmにも及ぶクレーターで、その底は地表から150〜300m下にあることが特徴である。 クレーターは一般に中央部が最も深く、クレーターの周囲には、クレーターの直径に比べて比較的小さい、一般に30m以下の凝灰岩のリングが存在する。 火口相は火砕岩（噴火によって形成されたもの）と砕屑岩（火砕物が河川で変質したもの）で表され、堆積物（層）堆積によって区別される。 クレーターフェイシー・キンバライト。 火砕岩は噴火によって堆積した岩石で、エピクロスチック岩は水によって再加工された岩石である。
火砕岩。 火砕岩：火口周辺や火口内に凝灰岩のリング状に保存された岩石。 凝灰岩のリングは高さが小さい。 タンザニアのIgwissi HillsやマリのKasamiは凝灰岩のリングがよく保存されているパイプである（図2）。 堆積物は層状、水泡状、炭酸化したものが多い。 火口内に保存された凝灰岩堆積物も稀であるが、タンザニアのIgwissi Hillパイプを調査したところ、3つの異なるユニットが確認された。 上から順に以下の通りである。
1. 1.ラピリ粒子と灰粒子からなる層状の凝灰岩層
2.層状の粗い火砕物
3.底質角礫岩
4.火砕物層
5.火砕物層
6.火砕物層
7.火砕岩類
8.火砕岩類

図2: イグジヒルズキンベルライトクレーター。 The earth story.より

♦ 2）ダイアトリームファシス。 キンバーライトのダイアトリーム相は、表面に円形または楕円形に近い輪郭を持つニンジン型のボディと急傾斜（80°〜85°）の壁が特徴である。 これらの相は時に深さ2kmを超えることがある。 ダイアトリーム相は断片的な性質を持っており、角ばった岩石片から丸みを帯びた岩石片（数センチから微小なものまで）の存在が、その特徴を際立たせている。 この相は、オートリス（前世代のキンバーライトの丸みを帯びた破片）、ペレットラピリ（大きな面体のカンラン石や金雲母を核とする丸みから楕円形のラピリサイズの大きなクラストで構成される。 光学的に分解不可能な微小フェノクリスタルマトリックスに包まれたもの）、微小フェノクリスストとグランドマスからなる磁気結晶の産物中にオリビンガーネット、クリノピロキセン、イルメナイトの粒が不連続かつ破砕されて存在する断片化マントルセノリスなどである。
♦ 3）ハイパービサルフェイシーズ。 揮発性の高いキンバーライトマグマが結晶化した岩石であり、超深海性岩相と呼ばれる。 巨晶のカンラン石やその他の巨晶（イルメナイト、金雲母、ガーネット）がよく見える塊状の岩石である。 マグマ分化の影響と火成岩のテクスチャーが見られる。 この相の特徴的なテクスチャーには、以下のようなものがある。 1. 1.火砕片とテクスチャーの欠如、2.金雲母の後期ポイキリチック成長の存在、3.方解石と蛇紋岩の偏析を含む偏析テクスチャー。 4.

図3：理想化したキンバライトシステムのモデル。ハイパービッサル、ダイアトリーム、クレーター相を示す。 Mitchell（1986）より）

同位体組成の違いから、Smith（1983）はキンバーライトを2群に分類した。 グループIとグループIIのキンバライト。 グループI：最も古典的なキンバライトで、元々は玄武岩質キンバライトと呼ばれていたものです。 すなわち、超塩基性（SiO2 1）、揮発性（主にCO2）に富む岩石で、カンラン石、蛇紋岩、炭酸塩、その他のMgやCaに富む付属鉱物の細かいマトリックスに、カンラン石、イルメナイト、パイロピックガーネット、多様なクロムに富む斜方輝石、金雲母、エンスタタイト、およびTi-poorクロム鉄などのMgに富む鉱物のマクロおよびメガクリストが存在していることによって、その特徴を示している。 巨晶・巨礫岩ともに、少なくとも一部は、上昇するキンバーライトマグマによって横切られたカントリーロック（基本的には深部マントルかんらん岩とエクロジャイト）の破壊から生じたゼノクリスト（偶発的結晶構成物）である。
♦ II族キンバーライト（オレンジ石）。 超火成岩（K/Na > 3）、過アルカリ岩（/Al > 1）、揮発性（主にH2O）岩で、マクロクリストとして金雲母とカンラン石が存在することが特徴であり、当初は雲母質またはランプロフィックキンベルライトと呼ばれていた。 金雲母、カンラン石、ダイオプサイドからなる地塊に、チタンエギリン、Mg含有クロマイトからTi含有マグネタイトまでのスピネル、ペロブスカイト、その他の鉱物を共通にゾーニングする。

世界におけるキンバライトの分布

キンバライトは世界のすべての大陸に分布していることがわかる（図4）。 Clifford(1966)は、世界のキンバーライトの分布パターンを基に、経済的に有望なキンバーライトは主にカンブリア紀以前のクルトン、特にアルカイ年代（約2.5Gaより古い）のクルトンで発生すると観察している。 この観察は、後にクリフォード・ルールとして知られるようになった。 1.6Ga以下の地殻テレーンのダイヤモンド鉱床は知られていない。 この特異な関連は、ダイヤモンドの存在と大陸下部のリソスフェアの年代との関連を示唆し、クリフォードの法則はダイヤモンド探査プログラムにおける貴重な選択基準として長い間考慮されてきた。 ここで注目すべきは、ダイヤモンドを産するキンバーライトは通常、それらが貫入した岩石圏の年齢に比べれば若いということである。 白亜紀のものが多く、古生代のものも多い（シベリアのサハ共和国など）が、原生代から新生代まで広がっている（西オーストラリア州の22Maの例など）。

キンバリー岩の定置モデル

キンバリー岩のパイプ定置のモデルは長年にわたっていろいろと提案されている。 その中には 爆発的ボーリング説、2）流動化説、3）火山説、4）胎生パイプ説。
爆発的火山説
キンバーライトの火山性はすぐに認められ（Lewis 1887, Bonney 1899）、スコットランドで同様のダイアトレムの起源を説明するのにGeikie（1902）が行った考えの影響を受けて、キンバーライトは爆発的ボーリングによって定置したと提案された（Wagner 1914）。 このため、キンバリー岩のダイアトレミーは、深さ 2 km まで爆発的に噴出した火山噴出物とみなされるようになった。 この噴火は、マグマ起源の高圧縮された蒸気やガスが激しく爆発的に解放されたことに起因すると考えられている。
キンバーライトのマグマは、深部のマントルから亀裂や割れ目に沿って上昇すると考えられています。 キンバリー岩のマグマは、深部マントルから割れ目や亀裂に沿って上昇すると考えられており、直接爆発的噴火を起こすには揮発成分が不十分で、ある不浸透性のレベルに達すると上昇を停止すると考えられています。 その結果、比較的浅いところに中間層と呼ばれるマグマ溜まりが形成される。 この部屋で結晶化が起こり、揮発分が蓄積される。 その結果、十分な圧力が発生し、屋根の反り返りや破断が起こる。 その後、圧力が下がるまで、キンバーライトの爆発的噴出とそれに伴う管路の破砕が続く。 このプロセスの繰り返しは、1つの噴出孔での複数の貫入や、マグマ溜りの上部のわずかに異なる位置で屋根の破壊が起こる場合、間隔の狭いダイアトレムの発生を説明することができる。 この仮説に対する主な反論は、その原型（Wagner 1914）でも修正されたものでも、次のとおりである：
1）強力な侵入の証拠が存在しない、上向きの同心円状破壊がない、2）深部には、ダイアトレムの底にもルートゾーンにも爆発中心がない、3）深い採鉱によって中間室も発見されない、4）爆発ボーリングと導管内部への角質の限定とは一致しない、いくつかのものは表面に達していない、5）この仮説は、マグマ室の内部への侵入の証拠とならない。 5) 超硬石の帯状配列、超硬石の沈降、巨大超硬石群における既存の岩石層序の保存は、爆発的ベントクリアと一致しない。
流動化説
Dawson (1962, 1967a, 1971, 1980) は、キンバーライト珪藻土の流動的定置の主要な提唱者であった。 彼は、包有物の分布、丸み、筋、様々な深さのゼノリスの並置、カントリーロックのブロックの周囲と一部の剥離、アップドーミングの不在、熱変成効果の欠如は、このプロセスによってのみ説明できると考えている。 Dawsonは、ガスを含んだキンバーライトマグマが上部マントルから割れ目系を通って上昇することを想定している。 地殻が弱いところでは、深さ2〜3kmのところから地表に突き出てくる。 マグマガス（主にCO2）の断熱膨張が起こり、爆発口は拡大し、流動性のある破片状のキンバーライトで満たされ、サンドブラスト効果で主要な関節系に沿って上方に掘削される。 いくつかのダイアトリームでは、後に発生したガスが特徴的な凝灰岩の柱を形成し、一方、爆発口の空洞はマグマで満たされ、巨大なキンバーライトとして固まるか、またはクラストを取り込んでキンバーライトブレッチアを形成する。
流動化によるダイアトリーム形成はすべての火山学者によって認められておらず、特にダイアトレムが水火山プロセスによって形成されていると考える人たちからは否定されている。 流動化に対する主な反論は以下の通りである：
地殻の奥深くでゆっくりと冷却するマグマから高い蒸気圧と大量のガスが溶出することは非常に考えにくい。 また、これらの貫入物は体積が小さいので、2kmの長さの流動床を支えるのに十分な量の揮発分を生成できるかどうかは疑問である。 なぜ気相が一度に溶出し、マグマをパイロクラストに分解するのか、また、他のキンバーライトのバッチが同じように気相を溶出しないのか、その理由は不明である。 ダイアトリーム相のキンバーライトに含まれるオーソリティッククラストは、ベシキュラーでもシャードでもなく、一般に角ばった破砕状で、ガス-タフストリーミングに関与した結果として予想される摩滅の兆候を示さない。 ほとんどのキソリスは角ばった形状をしており、長時間の凝集性バブリング流動化には晒されていない。 メガ・ゼノリス・スイートにおける特定の地層へのゼノリスの集中や粗い層序の保存は、長期のバブリング流体化とは一致しない。 流体化仮説はダイアトリームの形成メカニズムとして広く受け入れられているが、キンバーライト質ダイアトリームの形成には重要な役割を果たさないことがわかった。
水火山説
水火山説とは、マグマやマグマの熱と地表体や帯水層などの外部の水源との相互作用によって生じる火山現象のことである。 この説の主唱者はLorenz（1999）である。 Lorenzは、断層やリニアメントなどの構造的弱点がある水力学的に活発な地帯で、ダイアトレムやマールが形成されると提唱している。 堤防として上昇するマグマが割れ目に入り、循環する地下水と接触する。その結果、水火山爆発がマグマを破砕・冷却し、母岩を破砕する。 火砕物の破片は、マールを取り囲む凝灰岩のリングとして放出されることもある。 活動が継続すると、水とマグマが相互作用して形成された爆発室と壁岩の圧力差の結果として、壁岩の角化および岩石の割れ目への剥離がさらに起こり、亀裂が拡大する。

Lorenzのダイアトリーム形成仮説は、キンバーライトディアトレームの以下の特徴を説明する点で魅力的である。 ダイアトリーム（およびマール）は、一般に、明らかに線形的な特徴と関連している。 多くのキンバーライトのダイアトリームの下層は、ダイクとフラクチャーの交点に位置していることがわかる。 フィーダーダイクは既存の割れ目系に入り込んでいるように見える。 これらの脆弱なゾーンはすべて水力学的に活発である可能性がある。 ダイアトリームの形成は、多孔質で浸透性の高い堆積岩や火山岩の厚い岩石列でよく見られる。 花崗岩片麻岩地帯のような透水性の低い岩石では、ダイアトリームの発生はあまり見られない。 キンバリー岩のダイアトレミーは群れをなして発生する。 現代のマールや第三紀のダイアトレムもクラスターで発生し、それらの密接な地理的関連は明らかに地域の水文学体制と関連している。 メガ・ゼノリス（浮き岩）は、断層や沈降の特徴であると解釈されている。 エピクロスチックキンバーライト(4771)の存在は、ダイアトリームの上部のクレーターが水で満たされた時期があることを示す。 ディアトリームの深部にはこのキンバーライトのブロックが存在し、後の噴火によって火口湖が攪乱される可能性があることを示している。
Embryonic Pipe Theory
Kimberlite Pipeの複雑さを認識するClement (1979, 1982)は、単一のプロセスでは、その多様な地質および岩石学的特性を説明できないと信じています。 この説によると、深部から上昇するキンバーライトマグマダイクは、圧力低下の結果として解放されたCO2の分解により、前駆揮発相を発達させると考えられている。 この揮発相は高圧下にあるため、貫入部の上方や周縁部の壁岩の割れ目や節理に侵入する。 その後、マグマが角礫岩や割れ目を貫通し、接触角礫岩が形成される。 貫入角礫岩が形成され、壁面岩が貫入孔にくさび留めされる。 マグマの進入経路は既存の構造物によって制御される。 亀裂充填からルートゾーン形成への変化は、上昇に伴う圧力の低下、堤防と利用可能な亀裂との交差、または地下水を含む亀裂の増加により、揮発性の溶出が増加することが原因であると考えられる。
このプロセスは、マグマが地表への爆発的な突破が可能なレベルに達するまで続くと想定される。 Clement (1979, 1982) は、これは300-400 mで発生し、地下水とマグマの相互作用によって促進される可能性があると考えている。 突破と圧力解放の結果として、ルートゾーンのマグマは急速に脱ガスし、気液固体の流動系を形成すると考えられている。
蒸気は膨張し、さらに圧力が解放された結果、溶存面は急速に下方に移動すると考えられている（図5）。 この流動化の過程で、既存のルートゾーンのハイパービッサルキンバーライト、高レベルのコンタクトブレッチア、および脱ガスマグマが十分に混合される。 カントリーロックに丸みがないのは、流動化システムが短期間しか存在しなかったことを示している。

図5：胎生期のパイプの発達。 赤色は接触角形成の前面。 Mitchell, R. H. (1991)より改変）

Fig.6: Clement (1982) が想定したダイアトリームの発生段階。 胎生期の管状発達の後、流動化（A）または水蒸気爆発（B）が起こる。 Mitchell, R. H. (1991)より改変）

キンバーライトパイプの複雑な構造は、その形成に単一のプロセスが関与していないことを示すものである。 パイプの形成は、フィーダーダイクの上に複雑なルートゾーンを形成することにつながる地下の角礫化プロセスによって開始される。 地表の突破は爆発的ボーリングの結果ではなく、火山爆発によるクレーター形成が可能なレベルまでルートゾーン複合体が徐々に上昇した結果である。 ダイアトレムは、その下にあるルートゾーンまたは胚性パイプが、流動化または下降移動する火山活動によって、その後修正されることによって形成された二次構造であると思われる。 キンバリー岩は、その鉱物学的特徴から上部マントルを起源とする苦鉄質および超苦鉄質ゼノリスと特徴的に結びついている。 このようなキセノリスは、キンバーライトマグマが岩石圏を急速に上昇する際に剥離したコンジット壁岩の破片であり、キンバーライトメルトがどこで、どのような条件で形成されたかについて有用な制約を与えている。
キンバリー岩は、炭酸塩岩と同様に希少な岩石ですが、ほぼすべての大陸で発見されており、また地殻やマントル深部から様々なゼノリスを運ぶ主要な輸送手段となっています。 重要なことは、キンバーライトによってもたらされたこれらのマントルゼノリスが、マントル、さらには大陸マントルにおける物理化学的プロセスの本質に関する主要な情報源であるということである（Pearson et al.） キンバーライトはシリカ不飽和岩の一種であり、メリライト、ランプロフィール、ネフェリナイトなど、組成が大きく異なる岩石が含まれている（図7）。 しかし、キンバーライトの岩石形成については、起源領域の性質と深さ、一次起源かどうか、溶融の原因（プルームと揮発性フラックスなど）について意見が分かれている（Keshavet al.、2005年）。 キンバーライトはH2Oに富むアンケライト質マグマと花崗岩質の下部地殻の機械的混合物である（Dawson, 1967）。
2.キンバーライトは、マントルから超マントルまでの部分溶融から直接生成する（Wagner, 1929; Holmes, 1936）。
3.キンバーライトは、マフィックマグマ（原始キンバーライト）の高圧分化により、分晶が進行して生成する（Williams, 1932; O’Hara、 1968）。
キンバーライトの地質学的な関連性、および実験データとの比較から、他の多くの著者によって以前に提案された最後の仮説（n.3）が支持される（MacGregor, 1970）。 初期メルトまたはプロトキンバライト（Kamenetsky et al. 2008）は、非常に低いSiO2含有量の塩化物-炭酸塩に富む流体であると想定される。 カンラン石などのマントル鉱物と同化してシリカ分が増加し、キンバーライトに特徴的な低SiO2、高MgOの組成になるのである。 しかし、キンバーライトマグマティズムの岩石学と地球化学が大きく進歩したにもかかわらず、ハイパービッサル相とマントル中のキンバーライトメルト組成の決定にはまだ議論が必要である（Kamenetsky et al, 2009;Russell et al.2012;Sparks et al.2009;Pesikov et al.2015）。

図7：アルカン・クラトンの概略断面図。 クラトンの地温が低いため、中央部でグラファイト-ダイヤモンドの転移が起こる。 そのため、リソスフェア・ダイヤモンドは、深部クラトンルートのかんらん岩やエクロジャイトにのみ存在し、上昇するマグマ（ほとんどがキンバーライトK）に取り込まれている。 また、リソスフェア・オレンジアイト（O）やランプロアイト（L）の一部でもダイヤモンドが回収されることがある。 メリライト（M）は、より広範なアステノスフェアの部分溶融によって生成され、偏析の深さによってはダイヤモンドを含むことがある。 ネフェリナイト（N）とそれに付随するカーボナタイト（Carbonatite）は、リフト地域の浅い深さでの広範囲な部分溶融によって生成され、ダイヤモンドを含まない。 Mitchel 2005より。

ダイヤモンドとキンバライト

キンバライトは、一次ダイヤモンドの最も重要な供給源である。 多くのキンバーライトパイプはまた、豊富な沖積または沖積ダイヤモンドプレーサー鉱床を産出する。
ダイヤモンドの結晶はキンバリー岩とその関連岩石に見られるが、ダイヤモンドの起源（図7）は、クレーター（楯状地）の下の上部マントルから派生したかんらん岩やエクロジャイトの破片により深く関わっているとされる。 ダイヤモンドが生成されるためには、このような地球深部でしか得られない極めて高い圧力と温度が必要である。 赤い輝石ガーネットと緑の輝石からなるエクロジャイトという岩石が形成され、ダイヤモンドの結晶はガーネットと輝石の結晶と一緒に成長します。 ガーネット、カンラン石、斜方輝石からなるかんらん岩の破片（ゼノリス）にもダイヤモンドが含まれており、同様に上部マントルからもたらされる。
ダイヤモンドの結晶は、クレーター下の上部マントルで形成されるが、このような高圧・高温下では安定した状態を保つしかない。 キンバライトのマグマ流体で速やかに地表にもたらされたマントルゼノリスとダイヤモンド結晶は、地表付近でクエンチされた状態、あるいはメタ的に安定な状態で生存することができる。
楯状地やクラトンでは、大陸地殻下のサブクラトニックキールに関連した低い地熱勾配により、ダイヤモンド結晶はより浅い深度で安定した状態を保つことができる（図7）。 このようなP-T環境は、ダイヤモンドの貯蔵庫と呼ばれている（Kirkley, M. B. et al., 1991）。

カナダ・サマーセット島の炭酸塩に富むペユックキンバーライト． Andrea Giuliani氏より。

南アフリカ、キンバリー北部のベルズバンクのキンバリー岩。 James St. John.

南アフリカ北東部カリナン、プレミアキンバーライトパイプのキンバーライトより。 James St. John.

より

Hypabyssal kimberlite. Reddit.

ペンシルバニア州メイソンタウン、Hypabyssal facies kimberliteから。 このキンバーライトダイクは、黒い頁岩に囲まれている。 Wyoming Diamond and Gemstone Province.

Diatreme facies kimberlite breccia, Lake Ellen, UP, Michigan.S.から。 Wyoming Diamond and Gemstone Province.

Iron Mountain地区産の凝灰質、クレーター相のキンバリー岩。 Wyoming Diamond and Gemstone Province.

Colorado産Sloan kimberliteの大きな破砕したクロミアンダイオプサイド（クロムダイオプサイド宝石）巨晶。 Wyoming Diamond and Gemstone Provinceより。

キンバーライトに含まれるダイヤモンド。 Baard地区KimberleyのBultfontein Mine。 e-rocksより.

キンバーライトにダイヤモンド。 Baard地区KimberleyのBultfontein Mine。 e-rocks.

より

キンバーライト中のダイヤモンド(6.51mm)。 Baard District、Kimberley、Bultfontein Mine。 投資家のための地質学』より

キンバーライト中のダイヤモンド(6.51mm)。 Baard地区KimberleyのBultfontein Mine。 投資家のための地質学』より

Bibliography

– Brown, R. J., Manya, S., Buisman, I., Fontana, G., Field, M., Mac Niocaill, C., & Stuart, F. M. (2012)． キンバーライトマグマの噴火：地球上で知られている最も若いキンバーライト火山（タンザニアの上部更新世/完新世イグウィジヒルズ火山群）の物理火山学、地形学、年代． Bulletin of volcanology, 74(7), 1621-1643.
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