Formation des Diamants : un Voyage Géologique du Centre de la Terre à sa Surface

Bien avant d’orner les écrins des joailleries, le diamant, cristal de carbone pur, effectue un périple géologique exceptionnel. La formation des diamants résulte d’un enchaînement complexe de conditions extrêmes. Chaque facette de ce petit minéral nous révèle une histoire de pressions intenses, de températures extrêmes et de continents âgés de plusieurs milliards d’années. Alors comment le carbone se transforme-t-il en pierre précieuse cubique ? Quel est l’âge de la plupart des diamants naturels ? Combien de temps faut-il pour qu’un diamant naturel naisse dans les entrailles du manteau lithosphérique, au cœur des roches du manteau comme les péridotites et les éclogites ?
De leur cristallisation jusqu’à leur ascension fulgurante dans des magmas rares, les kimberlites, remontons le fil invisible de l’intimité du manteau terrestre aux mines à ciel ouvert. Des racines cratoniques aux placers diamantifères, des zones de subduction aux laboratoires produisant des diamants synthétiques : autant de contextes et de processus géologiques qui président à la naissance d’un diamant brut. Au-delà d’un symbole de luxe, le diamant, avec ses inclusions minérales, témoigne des processus physico-chimiques des profondeurs de la Terre et s’impose comme l’un des minéraux les plus précieux de la géologie moderne.

La recette physico-chimique de la formation des diamants

Diamant et graphite : deux architectures du carbone

Pour comprendre la formation des diamants, il convient de souligner un paradoxe fondamental. Comment le même élément chimique, le carbone, peut-il donner naissance à un cristal parmi les plus durs et, à l’inverse, à une matière tendre comme la mine d’un crayon ?

L’allotropie caractérise la propriété de certains corps chimiques simples d’exister sous plusieurs formes physiques. La singularité du diamant tient à son organisation moléculaire différente de celle du graphite, autre allotrope de l’élément carbone (C).

Deux structures qui correspondent à des comportements distincts :

• Dans le diamant, chaque atome de carbone est lié à quatre voisins selon une géométrie tétraédrique parfaite, formant un réseau tridimensionnel continu d’une rigidité absolue. C’est cette architecture dense et régulière qui fait du diamant le matériau naturel le plus dur connu, transparent à la lumière et excellent isolant électrique.

• Le graphite, quant à lui, adopte une organisation radicalement différente : les atomes de carbone s’y assemblent en feuillets plans hexagonaux (les graphènes) qui s’empilent les uns sur les autres, maintenus entre eux par de faibles liaisons. Cette structure en couches explique à la fois le caractère tendre du graphite, son opacité et sa bonne conductivité électrique, les électrons circulant librement au sein de chaque feuillet.

Le diamant : une structure moléculaire issue de conditions uniques

Le graphite représente la structure atomique la plus stable du carbone, car il se forme aux conditions de surface, à de plus faibles températures. À l’inverse, le diamant ne se stabilise qu’à haute pression ; l’une des nombreuses conditions nécessaires à sa formation.

Les études d’inclusions et la thermodynamique attestent que la plupart des diamants subissent des forces supérieures à 4,5 – 5 gigapascals (GPa) et des conditions calorifiques de 900 à 1300 degrés celsius, suffisamment basses pour le stabiliser. Ces paramètres correspondent à des profondeurs situées entre environ 150 et 250 km, au sein du manteau lithosphérique.

La formation des diamants ne dépend donc pas seulement de conditions de chaleurs extrêmes, mais d’un équilibre précis entre pression, température et structure atomique, à même de stabiliser l’architecture tridimensionnelle du carbone.

Contrairement à une idée reçue, les diamants ne se forment pas à partir de « charbon compressé », matériau sédimentaire non allotrope du carbone. En effet, le charbon, bien que composé essentiellement de l’atome C, contient d’autres éléments comme l’hydrogène, l’oxygène ou le soufre. D’un âge géologique bien plus récent, il prend naissance dans les premiers kilomètres de la croûte terrestre à partir de restes organiques. En revanche, les diamants cristallisent dans les profondeurs de la Terre, à partir de carbone mantellique ou recyclé par la subduction (le mouvement des plaques).

Les conditions chimiques nécessaires à la cristallisation : l’oxydoréduction

Les diamants ne se forment pas uniquement grâce à des températures et pressions élevées, mais nécessitent en plus une réaction particulière d’oxydoréduction. Cela se traduit par un transfert d’électrons entre éléments chimiques. Lors d’une oxydation, un atome perd des électrons, tandis que lors d’une réduction, il en gagne.

Différentes études ont établi des conditions d’oxydoréduction favorables dans le manteau terrestre. Le carbone y voyage grâce à des fluides et magmas riches en CO² et carbonates. Pour qu’il soit réduit, c’est-à-dire qu’il puisse se présenter sous forme d’élément C isolé, il doit se trouver dans un environnement chimique spécifique. Associé à des conditions adaptées de pression et de température, ce contexte permet la cristallisation du carbone en diamant. À défaut, le carbone peut prendre d’autres formes, comme le carbone élémentaire, le graphite ou encore le méthane.

Le lieu de naissance : où se forment les diamants ?

Les diamants naturels exploitables proviennent presque exclusivement du manteau lithosphérique sous-cratonique, soit la base refroidie et rigide des continents les plus anciens, appelée cratons archéens. Dans ces zones, la lithosphère continentale peut atteindre 200 à 250 km d’épaisseur, ce qui permet de maintenir des pressions élevées mais des températures assez basses pour que le diamant soit stable sur de très longues durées.

Les racines cratoniques : la voie royale

Les inclusions minérales piégées dans les gemmes (olivine, grenat, pyroxène, sulfures, etc.) et les calculs de pression confirment que la cristallisation intervient en majorité entre 150 et 250 km de profondeur. Les datations radiochronologiques effectuées à partir de ces inclusions nous apprennent que, dans de nombreux cas, les diamants proviennent de l’Archéen. Soit plus de 2,5 milliards d’années, au moment où la vie apparaît sur Terre.

Une thèse récente publiée en 2023, consacrée aux diamants de la mine de Cullinan (Afrique du sud) et Diavik (Canada), suggère que les gemmes pourraient se former à des profondeurs plus faibles que celles envisagées jusqu’à présent par les scientifiques. En effet l’étude détaillée des inclusions solides et fluides confirme la formation de diamants bleus à des pressions de 4,9 à 5,6 GPa, entre 160 et 180 km.

Les diamants « super-profonds »

Tous les diamants ne se forment pas uniquement dans la lithosphère. Une fraction plus rare, appelée diamants super-profonds, se cristallise dans la zone de transition du manteau, entre environ 410 et 460 km de profondeur, voire dans le manteau inférieur. Ils se reconnaissent à leurs inclusions lors de phases à hautes pression comme la ferropericlase ou la ringwoodite (une forme d’olivine stable à haute pression).

Un article publié dans la revue Nature en 2014 nous révèle la découverte de ringwoodite hydratée dans un diamant brésilien, attestant la présence de réservoirs potentiels de fluides dans la zone de transition. Les diamants deviennent ainsi de véritables messagers, révélant à la fois le cycle de l’eau et la dynamique profonde du manteau supérieur.

Les processus de formation : les différents scénarios géologiques

Derrière l’éclat uniforme du diamant se cachent des histoires géologiques singulières, selon l’origine du carbone et la nature des fluides qui ont alimenté sa croissance. Différents scénarios couvrent l’essentiel des contextes connus.

La formation dans le manteau lithosphérique : le standard

La majorité des diamants naissent dans la racines des cratons, zones constituées d’anciens morceaux de plaques terrestres stabilisés.

Ce scénario lithosphérique prédomine pour les diamants de joaillerie. Dans ce cas, des fluides ou « melts » riches en carbone infiltrent des roches du manteau (péridotites et éclogites). Puis ils franchissent la limite de saturation en carbone, sous des conditions de pression-température stables. Ce qui provoque la précipitation du diamant.

La zone de subduction : le recyclage

Les zones de subduction offrent un autre contexte majeur de formation des diamants. Les plaques océaniques qui plongent vers le manteau transportent des sédiments riches en matière organique, en carbonate et en eau de mer. Chauffés et comprimés, ces éléments libèrent des fluides chargés en carbones (organiques et carbonates) et substrats volatils qui peuvent infiltrer le manteau sus-jacent. Ces conditions physico-chimiques sont alors propices à la cristallisation des diamants, parfois à des profondeurs supérieures à celles du manteau lithosphérique classique.

Grâce à des signatures isotopiques caractéristiques, la thèse sur les diamants de Diavik distingue au moins trois générations de fluides parents. Elle établit une évolution d’un milieu réducteur silicaté vers un milieu plus carbonaté et oxydé, probablement modulée par des apports liés à la subduction.

Les impacts de météorites : l’origine extraterrestre

Lors de grands impacts météoritiques, les pressions et vitesses de chocs atteignent des valeurs extrêmes sur des temps très courts. Ces conditions provoquent la transformation rapide de carbone (graphite, carbone organique, etc.) en diamant et en lonsdaléite, une autre forme allotropique rare de carbone dont les atomes s’assemblent en structure hexagonale.

Certains cratères contiennent ces diamants d’impact, mais leur volume reste négligeable comparé à ceux formés dans la lithosphère. Les cristaux se situent alors dans la croûte terrestre ou à sa surface plutôt que dans le manteau. Ils enregistrent la violence des impacts météoritiques et offrent des indices précieux qui permettent de retracer l’histoire des collisions extraterrestres sur notre planète.

La formation de diamants intervient donc dans des environnements variés, dès lors que les conditions de pression et de température sont brièvement réunies.

Tableau récapitulatif de trois scénarios de formation

L’ascension vers la surface : le « taxi » volcanique

Les diamants ne se forment pas dans les volcans. Ils cristallisent d’abord profondément dans le manteau, puis sont transportés vers la surface par un magma spécifique capable de les extraire et de les remonter. En revanche, la stabilisation atomique des diamants implique des événements tecto-magmatiques de grande ampleur.

Le rôle des kimberlites et lamproïtes

Pour comprendre comment les diamants arrivent jusqu’à la surface, il est nécessaire d’introduire un acteur géologique clé : les kimberlites. Ces roches volcaniques prennent naissance dans les profondeurs du manteau, précisément là où les diamants ont cristallisé depuis des millions, voire des milliards d’années. Lors de leur remontée vers la surface, elles arrachent au passage ces cristaux piégés dans la roche encaissante et les emportent avec elles, agissant tel un “taxi volcanique”.

Les kimberlites diamantifères sont des magmas ulramafiques, c’est-à-dire des roches magmatiques alcalines, riches en métaux comme le fer et le magnésium, ainsi qu’en gaz volatils. Elles proviennent de profondeurs supérieures à 150 km, soit à la base de la lithosphère ou dans l’asthénosphère. Elles subissent par ailleurs des transformations en remontant à la surface : en traversant la lithosphère, les kimberlites assimilent et transforment des fragments de roches environnantes. Ce qui modifie leur composition chimique et minéralogique.

Les diamants peuvent également atteindre la surface grâce à d’autres roches, les lamproïtes. Elles correspondent à un type différent de magma, riche en potassium et éléments volatils. Moins fréquentes que les kimberlites, les lamproïtes transportent aussi des diamants, notamment dans certains cratons australiens.

Pourquoi la vitesse d’ascension est-elle un facteur essentiel ?

Les kimberlites atteignent la surface à travers des cheminées étroites en forme de trompette, appelées pipes ou diatrèmes, qui traversent toute la croûte continentale. La remontée est très rapide, alimentée par une forte surpression en gaz volatils.

Ces magmas font l’objet d’éruptions extrêmement explosives. L’ascension s’effectue à plusieurs dizaines de kilomètres par heure en profondeur. Par contre, la vitesse en surface peut dépasser celle du son, entraînant une décompression et un refroidissement fulgurants. Cette remontée ultra rapide s’avère essentielle : elle empêche les diamants de se transformer en graphite, phase plus stable à basse pression.

Cette combinaison exceptionnelle : présence des cristaux dans la racine cratonique, fusion partielle carbonée, surpression en CO² et remontée explosive, explique pourquoi les diamants exploitables restent si rares à l’échelle de la planète.

La formation des diamants a débuté il y a plus de 2,5 milliards d’années, à plus de 150 km de profondeur, là où le carbone se cristallise sous des conditions de pression et de température extrêmes.

Chronologie et temporalité de formation : une histoire de temps long

Les études isotopiques et géochronologiques situent la formation des diamants lithosphériques à l’Archéen, avec des âges compris entre 1 et 3,5 milliards d’années (Ga), en cohérence avec l’ancienneté des cratons qui les hébergent. Les kimberlites, le moyen de transport vers la surface, affichent une plus relative jeunesse, du Protérozoïque au Cénozoïque (d’environ 1,6 Ga à 0,5 Ga).

Par contre, l’activité volcanique en question date en majorité de moins de 100 millions d’années. En témoignent les grandes éruptions kimberlitiques du Crétacé, en Afrique australe, il y a 50 à 300 millions d’années. Le diamant s’avère donc bien plus ancien que le volcan qui l’a conduit vers la surface.

En pratique, on distingue plusieurs « âges » du diamant : l’âge de sa cristallisation en profondeur, celui de son exhumation volcanique et celui de sa découverte ou de son exploitation par l’homme.

Les placers diamantifères : les dépôts secondaires et leur exploitation

Tous les diamants exploités ne proviennent pas directement des cheminées de kimberlite ou de lamproïte. Une part significative de la production mondiale est issue de dépôts secondaires, appelés placers diamantifères.

Genèse et caractéristiques des placers : de l’érosion au transport fluvial

Les placers ou gisements détritiques sont des concentrations de particules érodées de matériaux de valeur (notamment or ou diamant) dans des dépôts alluviaux (sables ou graviers). Associés à des minéraux lourds comme l’ilménite, le grenat ou la chromite, ces cristaux proviennent parfois de zones très éloignées de leur source primaire, aujourd’hui souvent érodée ou recouverte par des sédiments.

En effet, après leur affleurement à la surface, les roches volcaniques contenant des cristaux ou minerais subissent une altération mécanique et chimique au cours du temps géologique. Les kimberlites, relativement friables, se désagrègent facilement sous l’action de l’érosion, du ruissellement et des cycles climatiques.

Les diamants, en revanche, résistent extrêmement bien à l’abrasion grâce à leur dureté et à leur inertie chimique. Alors libérés de leur roche-mère, ils migrent parfois sur des centaines de kilomètres.

Sous l’effet des processus sédimentaires et de l’action de l’eau, les pierres précieuses se concentrent dans les graviers alluviaux, notamment dans les lits de rivières, sur les terrasses fluviales anciennes, dans les dépôts côtiers issus de deltas ou de paléo-rivières. Certains placers célèbres (Namibie, Afrique de l’Ouest, bassin de l’Orange) proviennent de kimberlites disparues depuis des millions d’années.

Exploitation des dépôts secondaires : entre techniques artisanales et industrielles

L’exploitation des placers repose sur des méthodes gravimétriques, fondées sur la densité élevée du diamant. Les techniques incluent :

• le lavage des graviers,
• le dragage fluvial ou marin,
• le tamisage,
• et plus récemment les rayons lasers.

Historiquement, ces dépôts sont à l’origine des premières ruées diamantifères car accessibles sans excavation profonde. Aujourd’hui encore, ces sites jouent un rôle majeur dans certaines régions d’Afrique, parfois via une exploitation artisanale, soulevant des enjeux sociaux, environnementaux et réglementaires spécifiques.

Un exemple remarquable de gisement de diamants alluvionnaires : la mine de Lulo en Angola qui excave des gemmes d’exception (un diamant blanc de 404 carats !) sur un site de plus de 3 000 km².

Diamants synthétiques : le scénario technologique

Les diamants synthétiques produits en laboratoire évitent le recours à l’extraction minière énergivore et polluante.

Les méthodes HPHT (haute pression, haute température) reproduisent en presse les conditions du manteau supérieur afin de cristalliser la gemme à partir de carbone. Alors que la méthode CVD (dépôt chimique en phase vapeur) permet de faire croître des couches de diamant à basse pression dans un plasma riche en carbone.

Ces techniques produisent des cristaux de qualité variable, désormais suffisante pour la joaillerie comme pour de nombreuses applications industrielles.​ Les diamants de synthèse évitent l’ouverture de nouvelles mines à ciel ouvert et offrent une traçabilité plus simple. Mais ils requièrent une énergie importante, souvent d’origine encore fossile. Leur empreinte environnementale dépend surtout du mix énergétique utilisé.

Par ailleurs, les études expérimentales sur les cristaux synthétiques, leurs inclusions et leurs conditions de croissance, fournissent des analogues précieux pour comprendre la formation des diamants naturels.​

Les enjeux écologiques et humains de l’extraction du diamant

Les mines de diamants : plaies béantes sur l’éco-responsabilité

Cette pierre précieuse, symbole de luxe et d’éternité, comporte toutefois un prix environnemental et social. Les grandes mines à ciel ouvert, creusées directement dans les pipes de kimberlite, transforment les paysages et écosystèmes en profondeur, fragilisant la faune et la flore. Différents facteurs sont à l’œuvre :

• les cratères de plusieurs centaines de mètres de profondeur,
• les modifications topographiques,
• le drainage et la déviation de cours d’eau,
• le traitement des résidus miniers.

La mine de Mirny en Sibérie, qui exploite le pipe de Mir découvert en 1955, illustre l’ampleur de l’empreinte écologique. Elle a généré un trou béant de 1200 m de diamètre sur plus de 500 mètres de profondeur, aujourd’hui inexploité au profit de multiples galeries souterraines. Il s’apparente à un vaste entonnoir ouvert dans le permafrost, dont l’implantation a modifié l’hydrographie locale et la biodiversité.

Vers une exploitation raisonnée ?

Dans les régions boréales ou arctiques, l’installation des infrastructures s’ajoute à la perturbation des sols et des habitats. Routes, digues, bassins et campements accentuent la pression sur des écosystèmes fragiles, souvent préservés de l’homme. Certaines compagnies minières intègrent désormais des plans de restauration et de suivi environnemental, comme à Diavik au Canada.

Toutefois la durabilité de ces sites et leurs impacts cumulatifs participent de la plus large question de notre responsabilité envers la Terre. De fait, le diamant synthétique représente aujourd’hui la seule alternative viable à l’extraction minière énergivore et polluante.

Le diamant, messager des profondeurs de la Terre

La formation des diamants constitue une archive exceptionnelle sur le manteau terrestre, et même sur certains impacts de météorites. Emprisonnant dans leur structure des inclusions minérales issues de leur environnement d’origine, ils acheminent aux spécialistes des informations autrement inaccessibles. Cette science des profondeurs s’imbrique aux enjeux humains contemporains, qu’il s’agisse de comprendre le cycle du carbone, la présence d’eaux profondes, les mystères de l‘activité volcanique, ou d’interroger l’empreinte écologique de l’extraction minière. Le diamant représente en cela l’un des outils les plus précieux de la géologie moderne, d’une valeur inégalée.

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