Comment se forme un diamant : du carbone du manteau à la cheminée kimberlitique

Le diamant que vous croisez dans une vitrine a probablement entre 1 et 3,5 milliards d'années. Il a cristallisé à 150 kilomètres sous la surface, y a séjourné pendant des centaines de millions d'années, puis a parcouru ces 150 kilomètres en moins de deux jours, propulsé par un type d'éruption volcanique dont aucun être humain n'a jamais été témoin. Ce trajet porte un nom : la remontée kimberlitique. C'est ici que le diamant cesse d'être une pierre précieuse pour devenir un échantillon du manteau terrestre.

Cet article retrace la formation d'un diamant étape par étape : d'où vient le carbone, pourquoi il faut 45 000 fois la pression atmosphérique pour le cristalliser, pourquoi cela ne se produit que sous les plus vieux continents de la planète, et comment on date une pierre qui n'a aucune horloge visible. Vous verrez aussi pourquoi l'histoire du « charbon comprimé » est fausse, et quelles sont les cinq autres façons — beaucoup plus rares — de fabriquer du diamant.

C'est l'image la plus répandue et la plus fausse : un morceau de charbon écrasé assez longtemps finirait par devenir un diamant. Les deux matériaux sont bien composés de carbone, mais tout le reste les sépare — l'origine du carbone, la profondeur, la température, et surtout l'âge. Le charbon est une roche sédimentaire formée à partir de débris végétaux accumulés en milieu marécageux, rarement enfouie au-delà de 3 kilomètres. Le diamant cristallise cinquante fois plus profond.

L'argument décisif est chronologique. Le charbon exploité en Europe provient essentiellement du Carbonifère, entre 359 et 299 millions d'années. Or la majorité des diamants datés le sont à plus d'un milliard d'années, certains à 3,5 milliards. La plupart des diamants sont plus vieux que la vie végétale terrestre elle-même. Un matériau ne peut pas descendre d'un ancêtre qui n'existait pas encore.

Une nuance mérite d'être signalée : dans une zone de subduction, des sédiments marins contenant de la matière organique peuvent effectivement descendre à grande profondeur et fournir du carbone à des diamants. Mais ce carbone n'est plus du charbon depuis longtemps — il a été décomposé, oxydé, transporté par des fluides, puis recristallisé atome par atome. La filiation est chimique, pas géologique.

Le carbone est un élément natif, au même titre que l'or, l'argent ou le soufre — il forme des minéraux à lui tout seul, sans se combiner à d'autres éléments. Mais il le fait de deux manières radicalement différentes, ce que les minéralogistes appellent un polymorphisme. Le même élément, deux espèces minérales, deux mondes. Notre article sur les éléments natifs et la classe I de Strunz replace le diamant dans cette famille très particulière.

Dans le graphite, chaque atome de carbone n'engage que trois liaisons fortes, dans un plan. Les feuillets ainsi formés se superposent sans être réellement attachés entre eux : seules des forces de van der Waals les maintiennent. D'où la dureté de 1 à 2 sur l'échelle de Mohs et la capacité du graphite à laisser une trace sur le papier. Dans le diamant, chaque atome est lié à quatre voisins disposés aux sommets d'un tétraèdre, à 109,5° les uns des autres, dans un réseau tridimensionnel continu. Aucun plan de faiblesse : dureté 10, et un record de dureté absolue parmi les minéraux naturels.

Cette compacité a une conséquence directe : le diamant affiche une densité de 3,52 g/cm³ contre 2,26 pour le graphite, soit 56 % de plus pour la même matière. Or la nature ne comprime rien gratuitement. Pour forcer le carbone à adopter l'arrangement le plus dense, il faut appliquer une pression considérable — c'est exactement ce que produit la profondeur. Le diamant cristallise dans le système cubique, l'un des sept décrits dans notre article sur les systèmes cristallins, et sa forme la plus courante à l'état brut est l'octaèdre.

Deux réservoirs alimentent la cristallisation. Le premier est le carbone primordial, présent dans le manteau depuis l'accrétion de la Terre il y a 4,56 milliards d'années. Le second est le carbone recyclé : celui des carbonates marins, des sédiments et de la matière organique enfouis par la subduction des plaques océaniques, redescendus à des centaines de kilomètres avec la croûte plongeante. Le mécanisme est décrit dans notre article sur la tectonique des plaques.

Le plus remarquable est qu'on sache faire la différence. Le carbone possède deux isotopes stables, ¹²C et ¹³C, et la photosynthèse favorise systématiquement le plus léger. Un carbone d'origine biologique est donc appauvri en ¹³C, ce que l'on mesure par le rapport δ¹³C exprimé en pour mille. Chaque diamant porte une signature isotopique qui trahit l'origine de sa matière première.

La longue traîne des valeurs négatives des diamants éclogitiques reste l'un des points les plus débattus de la géologie du diamant. L'hypothèse dominante est celle du recyclage de carbone organique déposé sur un plancher océanique il y a plusieurs milliards d'années. D'autres modèles invoquent un fractionnement isotopique à haute température lors de la précipitation du diamant à partir d'un fluide carbonatitique. Les deux mécanismes ne s'excluent probablement pas.

Dans les deux cas, le diamant ne se forme pas à partir de carbone solide. Il précipite à partir d'un fluide ou d'un liquide silicaté circulant dans la roche — un processus de métasomatose. C'est la variation de la composition du fluide, ou son changement d'état d'oxydoréduction au contact de la roche encaissante, qui déclenche la cristallisation.

Le champ de stabilité du diamant se lit sur un diagramme pression-température. La frontière avec le graphite est une droite quasi parfaite, calibrée expérimentalement : à 900 °C il faut environ 4,2 GPa pour entrer dans le champ du diamant, à 1 300 °C environ 5,2 GPa. Reste à savoir si la Terre offre, quelque part, ces conditions et la stabilité nécessaire pour les maintenir.

La courbe décisive est le géotherme, c'est-à-dire la façon dont la température augmente avec la profondeur. Sous un craton ancien, cette montée est lente : la lithosphère y est épaisse, appauvrie, et surtout refroidie depuis des milliards d'années. Le géotherme cratonique franchit la limite graphite/diamant vers 4,4 GPa et 1 000 °C, soit environ 145 kilomètres, et reste dans le champ du diamant jusqu'à la base de la quille. Sous une lithosphère océanique jeune et chaude, le même croisement ne se produit que beaucoup plus profondément, dans un manteau qui convecte en permanence : les diamants s'y forment peut-être, mais rien ne les y conserve.

Un craton est un noyau continental archéen, généralement plus vieux que 2,5 milliards d'années, qui n'a plus subi de déformation majeure depuis. Sous chaque craton pend une racine de manteau lithosphérique appelée quille cratonique, qui peut descendre à 250 kilomètres. Cette quille a trois propriétés qui, ensemble, font toute la différence : elle est froide, elle est chimiquement appauvrie — donc peu dense et flottante — et elle est mécaniquement rigide. Elle résiste à la convection du manteau depuis l'Archéen. Pour situer ces enveloppes les unes par rapport aux autres, voir notre article sur la structure interne de la Terre.

La carte mondiale des gisements se superpose donc à celle des cratons archéens : Kaapvaal en Afrique du Sud, Kalahari au Botswana, Slave et Supérieur au Canada, Sibérien en Russie, Amazonien au Brésil, Kimberley en Australie. La tomographie sismique confirme cette architecture : à 125 kilomètres de profondeur, les ondes de cisaillement se propagent nettement plus vite sous les vieux boucliers continentaux, signature d'un manteau froid et rigide. À 350 kilomètres, cette anomalie a disparu — la quille s'arrête.

Réunies, ces conditions décrivent une séquence assez précise. La voici du carbone initial jusqu'à la pierre extraite d'une mine.

La kimberlite est le magma le plus profond que la Terre parvienne à faire remonter jusqu'à la surface : plus de 200 kilomètres d'origine. Ultramafique, riche en magnésium, potassium, eau et surtout dioxyde de carbone, elle appartient à la famille des roches magmatiques décrites dans notre article sur les roches magmatiques. Plus de 70 % des diamants extraits dans le monde en proviennent, le reste venant de placers alluviaux et marins qui ne sont que des kimberlites érodées et redistribuées.

Sa vitesse est le paramètre critique. Les estimations, obtenues à partir de la taille des xénolithes transportés, des couronnes de déshydratation sur les olivines et des taux de graphitisation du diamant, convergent vers 4 à 20 mètres par seconde. La traversée des 150 à 200 kilomètres de manteau lithosphérique froid prendrait ainsi entre dix heures et deux jours.

Arrivée près de la surface, la fracture débouche. La chute brutale de pression libère le CO₂ dissous, l'implosion des parois fragmente le magma et creuse une structure caractéristique en forme de carotte : un cratère évasé au sommet, un diatrème conique bourré de brèche, une zone racine massive à deux ou trois kilomètres. La plupart des pipes exploités aujourd'hui ont perdu leur cratère par érosion — c'est le diatrème que l'on exploite.

Le modèle cratonique couvre l'écrasante majorité de la production. Mais la nature — et le laboratoire — connaissent d'autres chemins, tous instructifs.