Mantle convection and diamonds

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Research subject. The present evolutionary stage of geodynamic theory is associated with the idea of thermochemical convection of various levels in the Earth's mantle, where the centrifugal branches are represented by plumes, and the centripetal - by subduction zones. Aim. The study of diamonds contributes to an understanding of when, at what level in mantle, under what P-T conditions and geochemical environment particular diamonds originated, which were then transported by centrifugal convection flows to the Earth's surface, thereby permitting characterization of this flow. Materials and methods. Generalization of published materials and characterization of mineral inclusions in diamonds allow the general structure of mantle convection to be clarified in different epochs and different regions. Results. The data obtained on mineral inclusions in diamonds, along with the experimental data on the P-T conditions of their mineral parageneses and geophysical data on mantle properties, indicate that the depth of diamond formation varies from the lower lithosphere in the upper part of the upper mantle (≈150-250 km) to the bottom of the lower mantle. At the same time, the diamonds containing mineral inclusions, characteristic of the lower mantle, account for only the first percents of the general number of diamonds. Conclusions. The transport of diamonds from different depths of their origin is a reliable indication of convection processes (as a plume activity) in the mantle. This information provides evidence to the real existence of plumes, which is important in the context of ongoing discussions on the depth of their origin. However, the study of mineral inclusions in diamonds, particularly in superdeep diamonds, is a challenging task due to the retrograde changes, resorption and sometimes complete dissolution on their way to the surface. These circumstances minimize the probability of occurrence of superdeep diamonds and require consideration when making judgements about the reality of existence of superdeep diamonds.

About the authors

V. N. Puchkov

A.N. Zavaritsky institute of Geology and Geochemistry, UB RAS

Email: puchkv2@mail.ru

D. A. Zedgenizov

A.N. Zavaritsky institute of Geology and Geochemistry, UB RAS; Ural State Mining University

References

  1. Батанова В.Г., Савельева Г.Н. (2009) Миграция расплавов в мантии под зонами спрединга и образование дунитов замещения: обзор проблемы. Геология и геофизика, 50(9), 992-1012.
  2. Галимов Э.М., Каминский Ф.В. (2021) Алмазы в океанической литосфере. Вулканические алмазы и алмазы в офиолитах. Геохимия, 66(1), 3-14.
  3. Добрецов Н.Л. (2011) Основы тектоники и геодинамики. Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т, 492 с.
  4. Зорин Ю.А., Турутанов Е.Х., Кожевников В.М., Рассказов С.В., Иванов А.В. (2006) О природе кайнозойских верхнемантийных плюмов в Восточной Сибири (Россия) и Центральной Монголии. Геология и геофизика, 47(10), 1060-1074.
  5. Иванов К.С. (2013) К вопросу об алмазоносности ультрабазитов Урала. Урал. геол. журн., 5(95), 32-36.
  6. Лобковский Л.И., Рамазанов М.М., Котелкин В.Д. (2021) Развитие модели верхнемантийной конвекции, сопряженной с зоной субдукции, с приложениями к мел-кайнозойской геодинамике Центрально-Восточной Азии и Арктики. Геодинамика и тектонофизика, 12(3), 456-470. https://doi.org/10.5800/GT-2021-12-3-0533
  7. Похиленко Н.П., Шумилова Т.Г., Афанасьев В.П., Литасов К.Д. (2019) Находки алмазов на Камчатке (вулканы Толбачик и Авачинский): природный феномен или контаминация синтетическим материалом? Геология и гео физика, 60(5), 606-618.
  8. Пучков В.Н. (2009) “Великая дискуссия” о плюмах: так кто же все-таки прав? Геотектоника, (1), 3-22.
  9. Пучков В.Н (2016) Взаимосвязь плитотектонических и плюмовых процессов. Геотектоника, (4), 88-104.
  10. Пучков В.Н. (2017) Оставляет ли базальтоидная магма следы в мантийных перидотитах при своем перемещении к земной поверхности? Геологический сборник № 14. информ. мат-лы ИГ УНЦ РАН. СПб.: Свое издательство, 149-151.
  11. Пущаровский Ю.М., Пущаровский Д.Ю. (2010) Геология мантии Земли. М.: ГЕОС, 140 с.
  12. Рингвуд А.Е. (1981) Состав и петрология мантии Земли. (Пер. с англ. под ред. М.А. Богомолова, Т.И. Фроловой). М.: Недра, 584 с.
  13. Соболев Н.В. (1974) Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии. Новосибирск: Наука, 263 с.
  14. Anzolini C. (2018) Depth of formation of super-deep diamonds. Plinius, 44, 1-7.
  15. Ashchepkov I.V., Pokhilenko N.P., Vladykin N.V., Logvinova A.M., Afanasieva V.P., Pokhilenkova L.N., Kuligin S.S., Malygina E.V., Alymova N.A., Kostrovitsky S.I., Rotman A.Y., Mityukhin S.I., Kaipenko M.A., Stegnitsky Y.B., Khemelnikova O.S. (2010) Structure and evolution of the lithospheric mantle beneath Siberian craton, thermobarometric study. Tectonophysics, 485, 17-41.
  16. Baruah A., Gupta A.K., Mandala N., Singh R.N. (2013) Rapid ascent conditions of diamond-bearing kimberlitic magmas: Findings from highpressure-temperature experiments andfinite element modeling. Tectonophysics, 594, 13-26.
  17. Brenker F., Nestola F., Brenker L., Peruzzo L., Secco L., Harris J.W. (2018) Breyite, IMA 2018-062, CNMNC Newsletter No. 45, October 2018. Eur. J. Mineral., 30, 1037-1043.
  18. Brenker F.E., Stachel T., Harris J.W. (2002) Exhumation of lower mantle inclusions in diamond: ATEM investigation of retrograde phase transitions, reactions and exsolution. Earth Planet. Sci. Lett., 198, 1-9.
  19. Bulanova G.P., Smith C.B., Kohn S.C., Walter M.J., Gobbo L., Kearns S. (2008) Machado River, Brazil - a newly recognised ultradeep diamond occurrence. 9th international Kimberlite Conference: Extended abstract, No. 9IKC-A-00233. https://doi.org/10.29173/ikc3471
  20. Bulanova G.P., Wiggers de Vries D.F., Pearson D.G., Beard A., Mikhail S., Smelov A.P., Davies R. (2014) An eclogitic diamond from Mir pipe (Yakutia), recording two growth events from different isotopic source. Chem. Geol., 381, 40-54.
  21. Burgess R., Kiviets G.B., Harris J.W. (2004) Ar-Ar age determinations of eclogitic clinopyroxene and garnet inclusions in diamonds from the Venetia and Orapa kimberlites. Lithos, 77(1-4), 113-124.
  22. Cid J.P., Nardi L.V.S., Cid C.P., Gisbert P.E., Balzaretti N.M. (2014) Acid compositions in a veined-lower mantle, as indicated by inclusions of (K, Na)-Hollandite + SiO2 in diamonds. Lithos, 196-197, 42-53.
  23. Courtillot V., Davaille A., Besse J., Stock J. (2003) Three distinct types of hotspots in the Earth's mantle. Earth Planet. Sci. Lett., 205(3/4), 295-308. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(02)01048-8
  24. Davies R.M., Griffin W.L., O’Reilly S.Y., McCandless T.E. (2004a) Inclusions in diamonds from the K14 and K10 kimberlites, Buffalo Hills, Alberta, Canada: diamond growth in a plume? Lithos, 77(1-4), 99-111.
  25. Davies R.M., Griffin W.L., O’Reilly S.Y., Doyle B.J. (2004b) Mineral inclusions and geochemical characteristics of microdiamonds from the DO27, A154, A21, A418, DO18, DD17 and Ranch Lake kimberlites at Lac de Gras, Slave Craton, Canada. Lithos, 77(1-4), 39-55.
  26. Doucet L.S., Li Zheng-Xiang, El Dien H.G. (2021) Oceanic and super-deep continental diamonds share a transition zone origin and mantle plume transportation. Nature Sci. Rep., 11, 16958. https://doi.org/10.1038/s41598-021-96286-8
  27. Ernst R.E. (2014) Large Igneous Provinces. Cambridge, Cambridge University Press, 633 p.
  28. Ernst R.E., Davies D.R., Jowitt S.M., Campbell I.H. (2018) When do mantle plumes destroy diamonds? Earth Planet. Sci. Lett., 502, 244-252.
  29. Fedortchouk Y., Liebske C., McCammon C. (2019) Diamond destruction and growth during mantle metasomatism: An experimental study of diamond resorption features. Earth Planet. Sci. Lett., 506, 493-506.
  30. Foulger G.F. (2018) Are mantle plumes real? Durham Workshop on Realism & the Earth Sciences, 15-16 January. URL: http://www.mantleplumes.org/PPPs.html
  31. Frost D.J. (2008) The upper mantle and transition zone. Elements, 4, 171-176.
  32. Harte B. (2010) Diamond formation in the deep mantle: the record of mineral inclusions and their distribution in relation to mantle dehydration zones. Mineral. Mag., 74(2), 189-215.
  33. Harte B., Hudson N.C.F. (2013) Mineral Associations in Diamonds from the Lowermost Upper Mantle and Uppermost Lower Mantle. Proc. 10th int. Kimberlite Conf. Vol. 1. (Eds D.G. Pearson et al.). New Delhi, Springer, 235-253. https://doi.org/10.1007/978-81-322-1170-9
  34. Hayman P.C., Kopylova M.G., Kaminsky F.V. (2005) Lower mantle diamonds from Rio Soriso (Juina area, Mato Grosso, Brazil). Contrib. Mineral. Petrol., 149, 430-445. https://doi.org/10.1007/s00410-005-0657-8
  35. Hunt L., Stachel T., Morton R., Grutter H., Crease R.A. (2009) The Carolina kimberlite, Brazil-Insights into an unconventional diamond deposit. Lithos, 112S, 843-85.
  36. Joswig W., Stachel T., Harris J.W., Baur W.H., Brey G.P. (1999) New Ca-silicate inclusions in diamonds - tracers from the lower mantle. Earth Planet. Sci. Lett., 173, 1-6.
  37. Kaminsky F. (2012) Mineralogy of the lower mantle: a review of ’super-deep’ mineral inclusions in diamond. Earth Sci. Rev., 110(1), 127-147.
  38. Kaminsky F. (2020) Basic problems concerning the composition of the Earth’s lower mantle. Lithos, 364-365, 105515. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105515
  39. Kaminsky F., Wirth R. (2011) Iron carbide inclusions in lower-mantle diamond from Juina, Brazil. Canad. Mineral., 49(2), 555-572.
  40. Kaminsky F., Wirth R. (2017) Nitrides and carbonitrides from the lowermost mantle and their importance in the search for Earth’s “lost” nitrogen. Amer. Mineral., 102, 1667-1676.
  41. Kaminsky F., Wirth R., Schreiber A. (2013) Carbonatitic inclusions in deep mantle diamond from Juina, Brazil: New minerals in the carbonate-halide association. Canad. Miner., 51(5), 669-688. https://doi.org/10.3749/canmin.51.5.669
  42. Kaminsky F., Ryabchikov I.D., Wirth R. (2015) A primary natrocarbonatitic association in the Deep Earth. Mineral. Petrol., 110. https://doi.org/10.1007/s00710-015-0368-4
  43. Kaminsky F., Khachatryan G.K., Andreazza P., Araujo D., Griffin W.L. (2009a) Superdeep diamonds from kimberlites in the Juina area, Mato Grosso State, Brazil. Lithos, 112S(2), 833-842.
  44. Kaminsky F., Wirth R., Matsyuk S., Schreiber A., Thomas R. (2009b) Nyerereite and nahcolite inclusions in diamond: evidence for lower-mantle carbonatitic magmas. Mineral. Mag., 73(5), 797-816.
  45. Kaminsky F., Sablukov S.M., Belousova E.A., Andreazza P., Tremblay M., Griffin W.L. (2010) Kimberlitic sources of super-deep diamonds in the Juina area, Mato Grosso State, Brazil. Lithos, 114(1-2), 16-29.
  46. Kerschhofer L., Scharer U., Deutsch A. (2000) Evidence for crystals from the lower mantle: baddeleyite megacrysts of the Mbuji Mayi kimberlite. Earth Planet. Sci. Lett., 179, 219-225.
  47. Kesson S.E., Fitz Gerald J.D. (1992) Partitioning of MgO, FeO, NiO, MnO and Cr2O3 between magnesium silicate perovskite and magnesiowustite: implications for the origin of inclusions in diamond and the composition of the lower mantle. Earth Planet. Sci. Lett., 111(2-4), 229-240. https://doi.org/10.1016/0012-821X(92)90181-T
  48. Kogarko L.N. (2022) Plume related kimberlites and carbonatites. Mineral. Petrol., https://doi.org/10.1007/s00710-022-00789-9
  49. Kogarko L.N., Veselovskiy R. (2017) Geodynamic regime of the carbonatites (absolute paleotectonic reconstructions). Magmatism of the Earth and related strategic metal deposits. Proc. of XXXIV International Conference. Moscow: GEOKHI RAS, 105-108.
  50. Lyakhov A., Oganov A., Stokes H., Zhu Q. (2012) New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX. Computer Phys. Communications, 184. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2012.12.009
  51. Maruyama S., Safonova I. (2019) Orogeny and mantle dynamics - role of tectonic erosion and second continent in the mantle transition zone. Novosibirsk: IPC NSU, 208 p.
  52. Moore R.U., Utter M.L., Rickard R.S., Harris J.W., Gurney J.J. (1986) The occurrence of moissanite and ferro-periclase as inclusions in diamond. 4th international Kimberlite Conference Extended abstracts. Perth: Geological Society of Australia Abstracts, 16, 409-411. https://doi.org/10.29173/ikc1186
  53. Morgan W.J. (1971) Convective Plumes in the Lower Mantle. Nature, 230, 42-43.
  54. Navon O., Wirth R., Schmidt C., Jablon B.M., Schreiber A., Emmanuel S. (2017) Solid molecular nitrogen (6-N2) inclusions in Juina diamonds: Exsolution at the base of the transition zone. Earth Planet. Sci. Lett., 464, 237-247. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.01.035
  55. Nestola F., Burnham A., Peruzzo L., Tauro L., Alvaro M., Walter M., Gunter M., Anzolini Ch., Kohn S. (2016) Tetragonal almandine-pyrope phase, TAPP: Finally a name for it, the new mineral jeffbenite. Mineral. Mag., 80. https://doi.org/10.1180/minmag.2016.080.059
  56. Nestola F., Korolev N., Kopylova M., Rotiroti N., Pearson D.G., Pamato M.G., Alvaro M., Peruzzo L., Gurney J.J., Moore A.E., Davidson J. (2018) CaSiO3 perovskite in diamond indicates the recycling of oceanic crust into the lower mantle. Nature, 555, 237-241. https://doi.org/l0.1038/nature25972
  57. Puchkov V.N., Ernst R.E., Ivanov K.S. (2021) The importance and difficulties of identifying mantle plumes in orogenic belts: An example based on the fragmented large igneous province (LIP) record in the Ural fold belt. Precamb. Res., 361, 106186.
  58. Qin F., Qin S., Prakapenka V.B. (2020) High pressure behaviors and novel high-pressure phase of Si3N4 and TiN. lithos, 372-373(1), 105677. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105677
  59. Richardson S.H., Shirey S.B., Harris J.W. (2004) Episodic diamond genesis at Jwaneng, Botswana, and implications for Kaapvaal craton evolution. Lithos, 77(1-4), 143-154.
  60. Rudolph M.L., Lekic V., Lithgow-Bertelloni C. (2015) Viscosity jump in Earth's mid-mantle. science, 350(6266), 1349-1352. https://doi.org/10.1126/science.aad1929
  61. Schulze D.J., Harte B., Valley J.W., De R. Channer D.M. (2004) Evidence of subduction and crust-mantle mixing from a single diamond. Lithos, 77(1-4), 349-358. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2004.04.022
  62. Scott Smith B.H., Danchin R.V., Harris J.W., Stracke K.J. (1984) Kimberlites near Orroroo, South Australia. Kimberlites 1: Kimberlites and Related Rocks. (Ed. J. Kornprobst). Amsterdam, Elsevier, 121-142. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-42273-6.50017-1
  63. Smith E.M., Shirey S.B., Richardson S.H., Nestola F., Bullock E.S., Wang J., Wang W. (2018) Blue boron-bearing diamonds from Earth's lower mantle. Nature, 560, 84-86.
  64. Stachel T., Brey G.P., Harris J.W. (2005) Inclusions in Sublithospheric Diamonds: Glimpses of Deep Earth. Elements, 1(2), 73-78.
  65. Stachel T., Harris J.W., Brey G.P., Joswig W. (2000) Kankan diamonds (Guinea) II: lower mantle inclusion parageneses. Contrib. Mineral. Petrol., 140, 16-27.
  66. Stachel T., Harris J.W., Aulbach S., Deines P. (2002) Kankan diamonds (Guinea) III: 61JC and nitrogen characteristics of deep diamonds. Contrib. Mineral. Petrol., 142(4), 465-475.
  67. Stixrude L., Lithgow-Bertelloni C. (2007) Influence of phase transformations on lateral heterogeneity and dynamics in Earth's mantle. Earth Planet. Sci. Lett., 263, 45-55.
  68. Tappert R., Stachel T., Harris J.W., Shimizu N., Brey G.P. (2005a) Mineral inclusions in diamonds from the Slave Province, Canada. Europ. J. Mineral., 17(3), 423-440.
  69. Tappert R., Stachel T., Harris J.W., Muehlenbachs K., Ludwig T., Brey G. (2005b) Diamonds from Jagersfontein (South Africa): messengers from the sublithospheric mantle. Contrib. Mineral. Petrol., 150(5), 505-522.
  70. Tappert R., Foden J., Stachel T., Muehlenbachs K., Tappert M., Wills K. (2009) The diamonds of South Australia. Lithos, 112S, 806-821.
  71. Torsvik T.H., Burke K., Steinberger B., Webb S.J., Ashwal L.D. (2010) Diamonds sampled by plumes from the core-mantle boundary. Nature, 466, 352-355. https://doi.org/10.1038/nature09216
  72. Tschauner О., Ma Ch., Beckett J.R., Prescher C., Prakapenka V.B., Rossman G.R. (2014) Discovery of bridgmanite, the most abundant mineral in Earth, in a shocked meteorite. Science, 346(6213), 1100-1102. https://doi.org/10.H26/science./259369
  73. Tschauner О., Huang S., Greenberg E., Prakapenka V.B., Ma Ch., Rossman G.R., Shen A.H., Zhang D., Newville M., Lanzirotti A., Tait K. (2018) Ice-VII inclusions in diamonds: evidence for aqueous fluid in Earth's deep mantle. Science, 359(6380), 1136-1139. https://doi.org/10.1126/science.aao3030
  74. Walter M.J., Kohn S.C., Araujo D., Bulanova G.P., Smith C.B., Gaillou E., Wang J., Steele A., Shirey S.B. (2011) Deep mantle cycling of oceanic crust: evidence from diamonds and their mineral inclusions. science, 334, 54-57.
  75. Wirth R., Dobrzhinetskaya L., Harte B., Schreiber A., Green H.W. (2014) High-Fe (Mg, Fe)O inclusion in diamond apparently from the lowermost mantle. Earth Planet. Sci. Lett., 404, 365-375.
  76. Zedgenizov D.A., Litasov K.D. (2017) Looking for “missing” nitrogen in the deep Earth. Mineralogist, 102, 1769-1770.
  77. Zedgenizov D.A., Kagi H., Shatsky V.S., Ragozin A.L. (2014) Local variations of carbon isotope composition in diamonds from Sao-Luis (Brazil): Evidence for heterogenous carbon reservoir in sublithospheric mantle. Chem. Geol., 363, 114-124. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2013.10.033
  78. Zedgenizov D.A., Ragozin A.L., Kagi H., Yurimoto H., Shatsky V.S. (2019) SiO2 Inclusions in Sublithospheric Diamonds. Geochem. Int., 57(9), 964-972.
  79. Zedgenizov D., Kagi H., Ohtani E., Tsujimorie T., Komatsu K. (2020) Retrograde phases of former bridgmanite inclusions in superdeep diamonds. Lithos, 370-371, 105659. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105659

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Puchkov V.N., Zedgenizov D.A.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».