Sự hình thành kim cương trong tự nhiên

Kim cương là một trong hai dạng thù hình của cac-bon (dạng còn lại là than đá). Tên gọi của kim cương có liên quan đến độ cứng của nó, theo tiếng Hi Lap - Adamas có nghĩa là “không thể thắng nổi”. Thực tế thì kim cương là vật thể tự nhiên cứng nhất mà chúng ta tìm thấy trên trái đất, có thành phần cấu tạo đơn giản nhất trong các loại đá quý. Kim cương có khả năng khúc xạ cực tốt và độ cứng rất cao nên không những chúng được sử dụng trong ngành kim hoàn mà còn ứng dụng nhiều trong công nghiệp.

Hành trình từ các-bon đến kim cương

Sự hình thành kim cương trong lòng đất

Các nhà khoa học đã cho rằng kim cương được hình thành từ rất lâu, khoảng 1 tỷ đến 3,5 tỷ năm. Việc hình thành kim cương diễn ra trong điều kiện vật lý đặc biệt hiếm, tuy nhiên nó lại được tạo ra từ  một trong những nguyên tố cơ bản xuất hiện nhiều nhất trong thiên nhiên, đó là các-bon. Sự kết tinh xảy ra trong những điều kiện vật lý khắt khe, khi mà áp lực vượt 5 gigapascal (GPa) và nhiệt độ đạt trên 1300°C, tương đương với những điều kiện ở độ sâu từ 100-200 km dưới lòng đất (Hình 1).

Kim cương được hình thành từ carbon có nguồn gốc hữu cơ hoặc vô cơ. Các nguồn vô cơ có sẵn ở lớp trung gian của trái đất, còn các nguồn hữu cơ chính là các loại cây đã bị chìm xuống dưới mặt đất.

Tuy nhiên, nhóm nhà khoa học do giáo sư Lynton Jaques, Đại học Quốc gia Australia công bố công trình nghiên cứu việc thành tạo kim cương tự nhiên trên tờ báo khoa học nổi tiếng Geology. "Nghiên cứu thực sự kết thúc cuộc tranh cãi lâu nay về việc kim cương hình thành như thế nào", ông Jaques cho biết.

Nhóm khoa học đã thực hiện nghiên cứu các mẫu kim cương đẹp nhất từ khắp miền tây Australia, Botswana và Venezuela… Kết quả, họ nhận thấy các mẫu kể trên có cấu tạo và thành phần hoá học giống nhau đáng ngạc nhiên. Sở dĩ có điều này là do chúng đều được hình thành từ trong lòng trái đất. Kim cương được hình thành từ cac-bon trong có nguồn gốc hữu cơ, các chất hữu cơ này nằm dưới đáy biển cổ đại. Sau đó dưới tác động của sự hút chìm, các chất đó được đưa vào sâu trong lớp vỏ trái đất để rồi hình thành nên những viên kim cương.

Sự hút chìm là quá trình hai hay nhiều mảng lục địa trái đất bị hút vào nhau. Tiếp đó một mảng chuyển động xuống dưới mảng khác rồi chìm vào trong lòng trái đất. Sau khi kim cương hình thành tại đây, chúng sẽ được đưa lên mặt đất nhờ quá trình vận động địa chất, mà cụ thể hơn là việc núi lửa hoạt động.

"Những kết quả nghiên cứu vừa qua của chúng tôi đã chứng minh điều này. Đó cũng là cách duy nhất giải thích tại sao cấu tạo và thành phần hoá học của kim cương lại hoàn toàn khác so với tất cả những vật chất khác trên bề mặt trái đất" ông Jaques cho biết.

Hình 1: Điều kiện hình thành kim cương trong tự nhiên

Nhờ độ cứng cao kim cương có thể di chuyển từ lớp quyển thạch dưới bề mặt của lớp vỏ cứng lên trên mà không bị phá hủy, rồi sau đó nó bị đẩy tiếp lên cùng với dung nham núi lửa. Dung nham có chứa kim cương được chia làm hai loại khoáng là kimberlit và lamproit, cả hai loại có thành phần gần giống nhau (hình 2).

Nơi mà người ta tìm thấy kim cương trước hết là những mỏ, tầng quặng có nguồn gốc từ núi lửa, được gọi là mỏ chính, tại đây những viên kim cương bị phân tán nằm rải rác trong các lớp khoáng sẫm màu có nguồn gốc từ lớp vỏ quyển thạch của trái đất. Những khoáng này được gọi là kimberlit (hay là khoáng xanh theo tên thành phố Kimberley ở Nam Phi). Các khoáng này nổi lên mặt đất dưới dạng của những cái mỏ neo lớn và dạng ống khói. Không phải tất cả khoáng núi lửa đều chứa kim cương, có những khoáng hoàn toàn không chứa kim cương. Các viên kim cương ở mỏ chính thường ở dạng tinh thể ban đầu, do nó không bị mài mòn khi di chuyển như kim cương ở các mỏ phụ.

Người ta cũng tìm thấy kim cương lộ thiên, chúng thoát ra khỏi khoáng núi lửa kimberlit hay lamproit nhờ tác động của quá trình phong hóa. Quá trình này làm phân hủy khoáng núi lửa nằm gần bề mặt trái đất. Khoáng sẫm màu phân hủy nhanh và tạo nên lớp đất bị ngả sang mầu màu vàng (tại các mỏ kim cương người ta gọi nó là đất vàng). Sau đó nước chảy đưa nó cùng với kim cương đổ ra sông. Tại đây kim cương nhờ có trọng lượng lớn hơn lắng xuống đáy sông hoặc tiếp tục trôi ra cửa sông và đổ ra bờ biển các đại dương. Ở những nơi nhất định (chẳng hạn trong những nguồn nước chảy uốn khúc) sự tập trung của đất vàng và kim cương sau đó được tích tụ dần và xuất hiện cái gọi là mỏ phụ.

Hình 2: Sự di chuyển kim cương lên bề mặt trái đất

Những địa điểm có kim cương được tìm kiếm nhiều nhất là Siberi, Phần Lan, Venezuela, Bolivia, đảo Greenland, châu Úc, Trung Quốc và Canada.

Sự hình thành kim cương từ ngoài vũ trụ

Kim cương còn có thể được hình thành trong những hiện tượng có áp suất và nhiệt độ cao khác. Người ta đã tìm thấy trong tâm thiên thạch có những tinh thể kim cương kích thước cực kì nhỏ, chính các hạt bụi kim cương này được các nhà khoa học hiện đại dùng để xác định vị trí thiên thạch rơi xuống trái đất (hình 3).

Hình 3: Hình minh họa sự hình thành kim cương từ các vụ va chạm với tiểu hành tinh

Các nhà khoa học hiện đại đã tìm dấu vết và chứng minh rằng kim cương tồn tại trên sao Thiên Vương, Hải Vương và các hành tinh khác, thậm chí trên sao Mộc và sao Thổ còn có mưa kim cương. 

Nguồn: Sưu tầm