Géologie et formation

Presque tous les diamants naturels ont cristallisé dans les racines profondes de blocs continentaux anciens et stables appelés cratons, à des pressions supérieures à 4 GPa et des températures de 950–1400 °C. GIA situe le sommet de ce domaine de stabilité vers 140 km, la plupart des diamants de qualité gemme ayant grandi entre environ 150 et 250 km. La datation des inclusions leur donne des âges supérieurs au milliard d’années, certains proches de 3.5 milliards.

Les diamants n’atteignent la surface que par trois types de magma rares : la kimberlite, le lamproïte et le lamprophyre. Tous trois naissent d’une fusion partielle limitée, profondément dans le manteau, sont riches en composants volatils et en magnésium et font éruption vite, à une vitesse estimée de 4 à 20 m/s. Le magma kimberlitique peut se former jusqu’à 200–300 km de profondeur. Il se fraie un chemin vers le haut en fracturant la roche, le gaz sort de la solution à mesure que la pression tombe, et l’éruption construit une cheminée en trois parties : un cratère, un diatrème de roche broyée aux parois inclinées d’environ 80 à 82 degrés, et une zone racine de kimberlite intrusive. Selon la règle de Clifford, les kimberlites diamantifères percent les parties archéennes les plus anciennes des cratons. La mine d’Argyle, en Australie-Occidentale, ouverte sur un lamproïte, a été un producteur de premier plan de diamants roses et bruns jusqu’à sa fermeture en 2020. Même un bon minerai est pauvre : l’USGS situe les teneurs de la kimberlite extraite entre 0.1 et 0.6 ppm de diamant.

Les diamants superprofonds se sont formés vers 300–800 km et représentent, selon les estimations, 2% des diamants extraits dans le monde. On y compte les pierres CLIPPIR, pauvres en azote, et les diamants bleus de type IIb porteurs de bore.

L’érosion libère les gemmes de leur roche encaissante, et les rivières, les vagues et les courants les déplacent. Les minéraux gemmes sont durs, résistants chimiquement et plus denses que le sable quartzeux : ils s’accumulent donc là où le courant ralentit, bancs de gravier, marmites, anciennes terrasses fluviales et plages. Ces concentrations sont des placers ; les placers déposés par les rivières sont dits alluviaux. Les cristaux défectueux tendent à se briser pendant le transport, de sorte que les placers sont souvent plus riches en pierres saines que leurs sources. La synthèse de GIA sur les gisements de corindon relève que les placers en contexte métamorphique, comme Ratnapura et Elahera au Sri Lanka et Ilakaka à Madagascar, livrent les saphirs de la plus haute qualité.

Le plus grand système de placers diamantifères s’étend le long de la côte atlantique du sud de la Namibie. Le fleuve Orange a transporté des diamants de l’intérieur de l’Afrique australe jusqu’à la côte, et la dérive littorale vers le nord les a répandus sur les plages et le fond marin sur plus de 150 km au-delà de l’ancienne embouchure. La taille des galets et celle des diamants décroissent toutes deux vers le nord. L’exploitation a commencé en 1908, quand Zacharias Lewala a trouvé un diamant dans le sable près de Kolmanskop. Une étude de 2006 sur ces gisements attribuait à la côte namibienne plus de 55% des plus de 130 millions de carats de diamants alluviaux extraits en Afrique australe jusqu’à la fin des années 1990. L’exploitation marine domine aujourd’hui : un article de 2020 fait état d’une flotte de sept navires travaillant le fond marin par des profondeurs d’eau allant jusqu’à 150 m et produisant plus des trois quarts de la production namibienne de diamants.

Une pegmatite est une roche magmatique faite de cristaux enchevêtrés exceptionnellement grands. La plupart des pegmatites gemmifères sont granitiques. Elles cristallisent à partir de la dernière fraction, riche en eau, d’un magma granitique qui refroidit, un résidu enrichi en éléments incompatibles qui s’insèrent mal dans les minéraux ordinaires des roches : lithium, béryllium, bore, fluor, phosphore, rubidium, niobium, césium et tantale. Aux basses températures de ce stade, de nouveaux cristaux s’amorcent plus lentement que ne croissent ceux qui existent déjà : quelques cristaux deviennent donc très grands au lieu que beaucoup restent petits. Des travaux récents suggèrent que la croissance peut atteindre un mètre ou plus par jour.

Les cristaux gemmes se rencontrent le plus souvent dans des poches ouvertes ou remplies d’argile, au cœur et dans les zones centrales du corps, où ils ont crû librement dans un espace rempli de fluide. Les corps qui présentent de telles cavités sont dits pegmatites miarolitiques, et ils se trouvent dans des plutons mis en place à faible profondeur dans la croûte, ou à leur voisinage. Les pegmatites de la famille lithium-césium-tantale (LCT) sont bien plus nombreuses que celles de la famille niobium-yttrium-fluor (NYF), et elles produisent en quantité de la tourmaline, du béryl, du spodumène, de la topaze et du grenat gemmes.

Parmi les districts gemmifères pegmatitiques les plus connus figurent le Minas Gerais au Brésil, Madagascar, le district de Skardu au Pakistan et le comté de San Diego, en Californie, où la mine Oceanview livre encore de la kunzite. Les pegmatites ont produit certains des plus grands cristaux connus, avec des spodumènes et des béryls signalés à 10 m de longueur ou plus.

Beaucoup des rubis les plus prisés ont crû dans le marbre, une roche métamorphique née de la recristallisation d’un calcaire sous l’effet de la chaleur et de la pression. Une ceinture de gisements en marbre traverse l’Asie centrale et l’Asie du Sud-Est : Jegdalek en Afghanistan, la vallée de Hunza et Nangimali au Pakistan, Chumar et Ruyil au Népal, Mogok et Mong Hsu au Myanmar, Luc Yen et Quy Chau au Vietnam. Tous se situent dans des terrains déformés par la collision de l’Inde avec l’Asie, et la datation radiométrique attribue aux gisements d’Asie centrale et du Sud-Est des âges de l’Oligocène au Pliocène, soit environ 40 à 5 millions d’années.

La synthèse du GIA sur les gisements de corindon situe la croissance du rubis dans ces marbres autour de 620–670 °C et 2.6–3.3 kbar. Les cristaux sont dispersés dans la roche avec de la phlogopite, de la muscovite, de la scapolite, de la margarite, du spinelle, de la titanite, de la pyrite et du graphite, ce qui explique que de beaux spinelles rouges sortent des mêmes chantiers, à Mogok surtout. Le Mogok Stone Tract, au Myanmar, produit des rubis dits sang de pigeon depuis 600 de notre ère environ.

Tous les beaux gisements de rubis ne sont pas logés dans le marbre. Montepuez, au Mozambique, est un gisement de type amphibolite dans des roches mafiques et ultramafiques métamorphisées, et l’essentiel de sa production vient de terrains secondaires voisins : des colluvions de fragments anguleux, avec une part plus faible de galets alluvionnaires lisses et arrondis.

Beaucoup de saphirs bleus, verts et jaunes proviennent des sols et des graviers qui recouvrent de jeunes champs de basaltes alcalins. Des gisements de ce type s’échelonnent de la Tasmanie à l’est de l’Australie, à l’Asie du Sud-Est et à la Chine orientale jusqu’à l’Extrême-Orient russe, et sont aussi exploités au Nigeria et au Cameroun, à Madagascar et à Aksoum, en Éthiopie. Le basalte n’a pas fabriqué les gemmes. Les saphirs sont des xénocristaux, des cristaux étrangers à la lave qui les a portés, présents dans des coulées et des culots de basalte à olivine subalcalin, de basalte alcalin riche en alumine et de basanite, dans des contextes crustaux étirés au-dessus de panaches mantelliques ascendants. L’altération de ces coulées laisse les gisements alluvionnaires exploités aujourd’hui, principalement dans le nord de la Nouvelle-Galles du Sud et le centre du Queensland.

Ces saphirs ont une chimie reconnaissable. Dans une étude de 2007, J.-J. Peucat et ses collègues ont montré que les saphirs bleus magmatiques des basaltes alcalins contiennent de 2000 à 11000 ppm de fer, plus de 140 ppm de gallium et généralement moins de 20 ppm de magnésium, d’où des rapports gallium sur magnésium supérieurs à 10. Les saphirs bleus métamorphiques, dont les pierres pastel de Pailin au Cambodge et le matériau de Mogok, du Sri Lanka et d’Ilakaka, contiennent moins de 3000 ppm de fer et se tiennent sous un rapport de 10. Les laboratoires utilisent encore cette séparation comme un élément de preuve parmi d’autres.

Les saphirs de Yogo Gulch, dans le Montana, relèvent d’un cas magmatique voisin, mais leur roche hôte est un lamprophyre alcalin et non un basalte.

L’émeraude a besoin de béryllium, qui se concentre dans les granites et les pegmatites, en même temps que de chrome ou de vanadium, qui se concentrent dans les roches mafiques et ultramafiques sombres et dans certains schistes argileux. La plupart des gisements réunissent les deux : la synthèse du GIA attribue au type logé dans des roches mafiques et ultramafiques métamorphisées environ 70% de la production mondiale, le Brésil, la Zambie et la Russie en étant les principaux fournisseurs.

Les gisements colombiens de la Cordillère orientale se sont formés autrement, sans aucune activité magmatique. Les émeraudes se trouvent dans des veines et des brèches au sein de schistes argileux noirs du Crétacé inférieur. Dans un article paru dans Nature en 1994, T. L. Ottaway et ses collègues ont montré, pour la mine de Muzo, que des saumures hydrothermales ont porté du sulfate évaporitique vers des structures favorables, où il a été réduit chimiquement ; le soufre a ensuite réagi avec la matière organique du schiste, libérant le chrome, le vanadium et le béryllium qui y étaient piégés. Le GIA situe ces fluides de bassin à 300–330 °C et jusqu’à 40 wt.% d’équivalent NaCl, formés en profondeur là où des eaux météoriques et de formation rencontraient des bancs de sel et des séquences évaporitiques.

Les mines se répartissent en deux ensembles. La zone occidentale réunit Muzo, Coscuez, Peñas Blancas, Cunas, La Pita et Yacopi ; la zone orientale réunit les districts de Gachalá, de Chivor et de Macanal.

Les champs d’opale noble d’Australie se trouvent dans le Grand Bassin artésien et sur sa bordure, dont les roches crétacées se sont déposées dans une mer intérieure peu profonde, la mer d’Eromanga, et sur ses rives. Coober Pedy et Andamooka en Australie-Méridionale, White Cliffs et Lightning Ridge en Nouvelle-Galles du Sud et les champs d’opale boulder du Queensland reposent tous dans ces sédiments, et l’opale est extraite surtout de leurs unités crétacées de grès et d’argilite.

La formation de l’opale reste discutée. Le tour d’horizon du GIA sur ces champs expose une théorie de l’altération, une théorie microbienne et une théorie syntectonique, des travaux plus récents évoquant un front d’oxydoréduction progressant dans un profil profondément altéré. La chronologie est elle aussi contestée.

Les styles de gisement diffèrent selon les champs. À Lightning Ridge, l’opale noire se présente en nodules dans une argile blanchâtre de la Finch Claystone, du Crétacé inférieur ; les mineurs les appellent nobbies, et les gisements se tiennent en général à moins de 30 m sous la surface. Une bonne partie d’un nobby est de la potch gris foncé, c’est-à-dire de l’opale commune, l’opale noble n’occupant qu’une portion, et c’est ce fond sombre qui donne son jeu de couleurs à la belle opale noire. Dans le Queensland, l’opale remplit des concrétions siliceuses de roche ferrugineuse que les mineurs appellent lily pads ou nuts, dans le Desert Sandstone du Crétacé supérieur. L’opale a aussi remplacé des fossiles crétacés, des organismes microscopiques aux squelettes de dinosaures.

Deux matériaux se tiennent à la lisière de la gemmologie : l’un est bien réel mais presque jamais assez gros pour être taillé, l’autre voit son existence contestée.

La moissanite est du carbure de silicium. Le carbure de silicium naturel est très rare et n’a été trouvé, sous forme de cristaux minuscules, en général de moins de 1.5 mm, que dans quelques gisements dans le monde. Les plus grands cristaux naturels connus viennent du fleuve Kishon, dans le nord d’Israël, où le matériau recueilli est passé de 0.1 à 1 mm vers 2000, à 2.2 mm en 2002, 3.5 mm en 2009 et 4.1 mm en 2012. À ces dimensions, les cristaux naturels ne peuvent pas être facettés : la moissanite employée en joaillerie est donc de croissance en laboratoire.

La lonsdaléite, aussi appelée diamant hexagonal, a été largement utilisée comme marqueur d’impacts d’astéroïdes et passe pour jouer un rôle central dans le passage du graphite au diamant. Malgré de longs efforts, elle n’a jamais été produite ni décrite comme un matériau pur et distinct. En 2014, Péter Németh et ses collègues ont rapporté dans Nature Communications que les échantillons présentant les caractères attribués à la lonsdaléite sont du diamant cubique criblé de macles {113} et de fautes d’empilement {111}, y compris le matériau de la météorite de Canyon Diablo qui avait fourni la description originale. Ils ont soutenu que le minéral n’existe pas comme matériau distinct et que les travaux qui s’appuient sur lui doivent être revérifiés.