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Caractéristiques du diamant, ce cristal de carbone pur

Dossier - Les diamants, rares et envoûtants
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Le diamant, qui nous est offert par la Terre, fascine l'Homme depuis des milliers d’années. Sa formule chimique est aussi simple que possible, pourtant cette pierre transparente, colorée et mythique est pourvue de propriétés exceptionnelles…

  
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Les diamants sont des cristaux de carbone pur. Découvrez ici leurs caractéristiques mais aussi leur histoire et leur origine.

Tous les diamants anciens viennent d'Orient. D'après la légende indienne, le « diamant » est le vajra, arme du dieu Indra qui résiste aux attaques des points cardinaux, des puissances de l'enfer et des puissances du ciel. Celui qui le porte est protégé du feu, de l'eau, des serpents et des mauvais esprits.

Quelles sont les caractéristiques du diamant ? © Manutsawee, Fotolia

Tout cristal octaédrique (huit faces) est appelé vajra : incolores, ils sont aux prêtres ; rouges (spinelles) aux guerriers et aux marchands. Au IVe siècle av. J.-C., l'empereur des Indes fixa la législation concernant l'exploitation du diamant, et les taxes qui vont avec.

Diamant brut. © USGS, Wikipédia

D'après Pierre Thomas (ENS Lyon), que je cite ci-dessous, voici comment on peut réfléchir au phénomène « diamant ».

Les diamants, des cristaux de carbone pur

Commençons par les données :

  • Les diamants sont des cristaux de carbone pur, stables à très forte pression, d'origine mantellique, correspondant à une profondeur de 120 à 150 km. Une petite minorité vient de beaucoup plus profond. La forme stable du carbone pour des profondeurs plus faibles est le graphite.

  • Tout semble indiquer une cristallisation dans des veines mantelliques où circulent des fluides carbonés (CO2, CO, CH4...). 

  • Ils sont nombreux à contenir des micro-inclusions (olivine, grenat, pyroxène...) englobées lors de leur croissance, et qui donnent la pression de leur croissance.

  • Les datations radiochronologiques, grâce aux inclusions, montrent un âge archéen (avant 2,5 Gans).

  • Ils sont toujours localisés dans les cratons archéens et ont le même âge.

  • Les diamants sont presque toujours inclus dans une lave rare : la kimberlite, riche en magnésium et potassium, en H2O (phlogopite) et surtout en carbonates.
Phlogopite. © www.fabreminerals.com, Fabre Minerals Photo
  • Le dynamisme éruptif des kimberlites est explosif. La vitesse d'ascension de la lave est de plusieurs dizaines de km/h en profondeur et elle est supérieure à la vitesse du son à son arrivée. Cette vitesse entraîne une décompression et un refroidissement trop rapides pour qu'elles puissent se transformer en graphite. On trouve des diamants dans des roches sédimentaires issues de kimberlites.

  • Quelques exceptions : des lamproïtes (Australie) ou des komatiites (Guyane).

  • Les diamants ne sont que des enclaves arrachées par la kimberlite à la cheminée lors de son ascension : isolément (xénocristaux), ou appartenant à des xénolites constituées de péridotite à grenat et d'éclogite.

  • La kimberlite a des âges allant de l'Archéen à l'Éocène-Oligocène ; elles peuvent donc être considérablement plus jeunes que leur encaissant et que les diamants qu'elles contiennent. Les kimberlites jeunes semblent associées à la mise en place d'un point chaud.

  • Si la lithosphère peut atteindre 200 à 250 km (à une température inférieure à 1.300 °C), il faut un refroidissement particulièrement efficace et/ou prolongé sous les vieux cratons. Ce manteau infra-cratonique ne participe donc plus à la convection mantellique générale depuis l'Archéen.

  • Le MgCO3, en présence de silicates, n'est stable (pour des pressions entre 50 et 80 kb, donc des profondeurs de 150 à 250 km) qu'à des températures inférieures à 1.300 °C, donc il n'est pas stable sous les océans ou les continents « standard » : il fait trop chaud ; en revanche, il est stable à la base des cratons archéens.

Origine et histoire des diamants

La formation des cratons archéens (2,5 Gans) a vu le manteau sous-jacent devenir lithosphérique (refroidissement). Cette lithosphère n'a plus été affectée par des évènements géologiques, si ce n'est le déplacement dû à la tectonique. Il a donc pu atteindre une épaisseur de 200-250 km.

À la base, des circulations de fluides ont imprégné le manteau de carbonate de magnésium, et entraîné la cristallisation des diamants au sein du matériel mantellique. Puis, diamants et carbonates de magnésium sont restés figés pour des centaines de millions d'années. Dans le manteau plus profond, du diamant peut aussi cristalliser, au niveau d'anciennes croûtes océaniques subductées (riches en sédiments, donc en carbone) et ils sont entraînés par la convection générale ; mais la convection les amène au-dessus de 120-150 km, où ils se transforment en graphite.

Bien après sa formation, la base de lithosphère cratonique est réchauffée (par exemple, arrivée d'un panache très profond). Alors, le carbonate de magnésium se déstabilise, libère du CO2, qui va réagir avec les silicates environnants. Comme H2O, le CO2 abaisse la température de fusion des silicates. La déstabilisation partielle du MgCO3 aura pour conséquence :

  • la fusion partielle du manteau ;
  • le passage du CO2 de la phase carbonatée au magma ;
  • la création d'un magma kimberlitique, ayant une forte pression de CO2 dissous.

Ce magma va migrer vers la surface, arrachant des xénolites et des xénocristaux le long de son parcours, les amenant à la surface très rapidement évitant la transformation en graphite.

La grande rareté des diamants a donc une triple origine :

  • la rareté intrinsèque des diamants dans le manteau ;
  • la rareté des racines lithosphériques cratoniques archéennes ;
  • la rareté des points chauds sous-cratoniques.

Caractéristiques physico-chimiques du diamant : formule…

Diamant maille. © DR
Spectre du diamant. © DR
Spectre infrarouge du diamant. © DR
  • Densité : 3,517 ;
  • Température de fusion : 3.546,85 °C ;
  • Solubilité : insoluble dans l'eau, les acides et les bases ;
  • Comportement chimique : se transforme en graphite dans la flamme.

La découverte en 1793 de la composition du diamant par Antoine Lavoisier a marqué le début de l'épopée de sa synthèse. C'est au milieu du XXe siècle que des chimistes réussissent à le fabriquer. La première synthèse eut lieu en 1953, à Stockholm (Suède), par Baltzar von Platen et le jeune Anders Kämpe travaillant pour l'entreprise ASEA.

Différentes tailles du diamant Cullinan. © DR

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