Abstract

The common brown color in natural diamond is likely caused by vacancy clusters, produced by plastic deformation of the crystal structure. A brief treatment in a high-pressure – high-temperature (HPHT) vessel at 1800–2700°C can remove this color. As there has been speculation that a similar removal of color should occur continuously at depth in the subcontinental lithospheric mantle (SCLM), the effect of temperature on the time required to eliminate the brown color in diamond has been calculated from published data. A critical component of this calculation is the activation energy for the breakup of vacancy clusters. The time necessary to remove the brown color in the SCLM is significant on a geological time-scale. Crystals of brown diamond stored at or below about 1000°C should maintain their color for 108 years or more. In spite of some uncertainty in extrapolating the HPHT data to natural conditions in the SCLM, it appears that higher temperatures toward the base of the lithosphere could lead to reduction or elimination of the brown color within thousands of years. Plastic deformation needed to produce the brown color causes lattice distortion and strain-related mosaic spread, which is discernible by X-ray diffraction. The degree of mosaic spread was gauged in 18 untreated crystals of natural diamond by estimating χ-dimension peak-widths from micro-X-ray diffraction (μXRD). For these samples, there is a correlation between peak width and depth of brown color. None of the colorless crystals of diamond examined have large peak-widths, as should be expected for a crystal of diamond that has been deformed and turned brown, but later lost its brown color. The removal of the brown color thus does not seem to be a common natural occurrence. We thus conclude that survival of the brown color in the lithospheric mantle does not require the color to be formed late in the storage history, nor does it require metastable storage of diamond in the stability field of graphite.

Abstract

La couleur brune habituelle du diamant naturel serait attribuable à des agrégats de lacunes qui seraient dues à une déformation plastique de la structure cristalline. Un bref traitement à haute pression et haute température à 1800–2700°C peut éliminer cette couleur. Afin d’évaluer les mérites de l’hypothèse voulant qu’une élimination de la couleur pourrait avoir lieu de façon continue dans le manteau lithosphérique subcontinental en profondeur, nous avons calculé l’effet de la température sur l’intervalle de temps requis pour éliminer la couleur brune à partir de données dans la littérature. Un facteur d’importance capitale dans ce calcul serait l’énergie d’activation de la dispersion de ces nanoagrégats de lacunes. Le temps requis pour éliminer la couleur brune dans le manteau lithosphérique subcontinental est appréciable sur une échelle de temps géologique. Les cristaux bruns tenus à environ 1000°C ou moins devraient maintenir leur couleur pour 108 années ou plus. Malgré l’incertitude dans l’extrapolation des données expérimentales acquises à haute pression et haute température aux conditions mantelliques, il semble que les températures plus élevées vers la base de la lithosphère pourraient mener à une réduction ou une élimination de la couleur brune dans quelques milliers d’années. La déformation plastique requise pour produire la couleur brune cause une déformation du réseau et un étalement en mosaïque mesurable par diffraction X. Le degré de l’étalement en mosaïque a été mesuré dans dix-huit cristaux naturels non traités, la largeur des pics dépendant de la dimension χ mesurée par microdiffraction X (μXRD). Pour ces échantillons, il y a corrélation entre la largeur des pics et l’intensité de la couleur brune. Aucun des cristaux incolores de diamant ne possède des pics élargis ou flous, comme on pourrait s’attendre d’un cristal qui a été déformé et qui serait devenu brun, mais qui aurait perdu sa couleur par la suite. L’élimination de la couleur brune ne semble pas être un phénomène répandu dans la nature. La survie de cette couleur dans le manteau lithosphérique n’implique donc pas que la couleur se soit formée tardivement dans la période de stockage du diamant dans le manteau lithosphérique, ni que les cristaux de diamant soient maintenus métastablement dans le champ de stabilité du graphite.

(Traduit par La Rédaction)

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