Ống kimberlit là gì: cấu tạo mỏ kim cương gốc từ miệng phễu đến rễ

Ống kimberlit là một họng núi lửa cổ hình củ cà rốt, cắm sâu từ mặt đất xuống khoảng một đến hai kilomet, lấp đầy bằng đá kimberlit vụn và nguyên khối; nó là kiểu mỏ kim cương gốc quan trọng nhất thế giới. Lamproit là "người anh em" giàu kali của kimberlit, cũng mang được kim cương lên, mỏ Argyle ở Tây Úc là ví dụ nổi tiếng. Điều cần nhớ đầu tiên: kimberlit chỉ là chiếc thang máy, không phải nơi kim cương sinh ra, nên có ống giàu kim cương và có ống hoàn toàn trắng tay.

Kimberlit là đá gì

Kimberlit là đá magma siêu mafic, nghèo silic, rất giàu magie, cacbonat và chất bốc như khí cacbonic, hơi nước. Đá tươi có màu xanh xám đến xanh đen, thường lốm đốm hạt olivine đã bị biến đổi thành serpentin. Ở gần mặt đất, nó phong hoá nhanh thành lớp đất sét mềm: thợ mỏ Nam Phi thế kỷ 19 gọi phần đó là "đất vàng" (yellow ground), còn đá chưa phong hoá bên dưới là "đất xanh" (blue ground). Tên kimberlit do nhà địa chất Henry Carvill Lewis đặt năm 1887, theo tên thị trấn Kimberley.

Trong một mẫu kimberlit có ba loại vật chất trộn vào nhau:

• Nền magma: phần kết tinh từ chính dung thể kimberlit, gồm olivine nhỏ, phlogopit, cacbonat, serpentin, spinel, perovskit.
• Tinh thể lạ (xenocryst): hạt khoáng vật bị bứt từ lớp phủ dọc đường đi lên, như garnet pyrop, diopsit crom, ilmenit giàu magie và chính kim cương.
• Thể tù (xenolith): cả mảnh đá lớp phủ và mảnh đá vỏ bị cuốn theo, từ peridotit, eclogit đến đá granit, đá phiến của các tầng nó xuyên qua.

Kim cương thuộc nhóm thứ hai. Nó đã nằm trong lớp phủ từ hàng trăm triệu đến hàng tỷ năm trước khi magma kimberlit đi ngang qua và vô tình cuốn theo. Vì vậy tuổi của kim cương và tuổi của ống kimberlit chứa nó thường chênh nhau rất xa.

Mặt cắt một ống kimberlit: ba đới từ trên xuống

Mô hình kinh điển, dựng chủ yếu từ các ống ở nam châu Phi, chia một ống còn nguyên vẹn thành ba đới. Ít ống nào còn giữ đủ cả ba, vì phần trên cùng thường đã bị bào mòn.

Hình củ cà rốt sinh ra do cách magma phun. Magma đi lên qua khe nứt hẹp như một mạch đá. Đến gần mặt đất, khoảng vài kilomet, khí cacbonic và hơi nước tách ra, giãn nở mạnh, đá vây quanh bị nổ vỡ và hỗn hợp khí – dung thể – mảnh vụn khoét ngược thành một cái phễu. Mỗi ống chỉ rộng vài chục mét đến hơn một kilomet trên mặt, nhỏ hơn rất nhiều so với một núi lửa bazan thông thường.

Không phải ống nào cũng giống mô hình Nam Phi. Nhiều ống ở vùng Lac de Gras (Canada) nhỏ, dốc đứng, lấp bằng vụn núi lửa đã bị nước xếp lớp. Một số kimberlit ở Saskatchewan lại có dạng chén rộng nông, giống miệng núi lửa phun tro hơn là phễu sâu. Các nhà địa chất mỏ coi mỗi cụm ống là một bài toán riêng.

Lamproit: đường lên thứ hai

Lamproit cũng là đá magma sâu, giàu magie, nhưng giàu kali hơn kimberlit và ít cacbonat hơn. Nó thường tạo ống dạng chén rượu, miệng rộng đáy hẹp, thay vì phễu dài. Trong nhiều thập niên người ta không tin lamproit chứa kim cương có giá trị khai thác, cho tới khi nhóm thăm dò phát hiện ống AK1 ở vùng Kimberley, Tây Úc, cuối thập niên 1970.

Ống AK1 trở thành mỏ Argyle, khai thác từ năm 1985 và đóng cửa năm 2020. Argyle cho sản lượng carat thuộc loại lớn nhất thế giới, phần lớn là kim cương nhỏ màu nâu, và nổi tiếng với một tỷ lệ rất nhỏ kim cương hồng. Vùng Ellendale ở Tây Úc và mỏ Majhgawan ở Ấn Độ cũng là lamproit có kim cương.

Ở nam châu Phi còn có một nhóm đá trước đây gọi là kimberlit nhóm II, nay nhiều tài liệu gọi là orangeit, giàu phlogopit, đứng giữa kimberlit và lamproit. Tên gọi nhóm đá này vẫn đang được giới thạch học bàn cãi; người đọc chỉ cần biết rằng "đá mang kim cương" không chỉ có một loại.

Quy tắc Clifford: tìm ống ở đâu

Năm 1966, nhà địa chất Tom Clifford nhận ra một quy luật: các ống kimberlit có kim cương đủ giàu để khai thác gần như đều nằm trên những lõi lục địa cổ hình thành từ thời Thái cổ, hơn khoảng 2,5 tỷ năm. Kimberlit phun ở rìa lục địa trẻ hơn thường nghèo hoặc không có kim cương.

Lý do nằm ở dưới sâu. Dưới các lõi lục địa cổ có "rễ" lớp phủ lạnh và dày, ở độ sâu khoảng 150–200 km vẫn nằm trong vùng kim cương bền. Dưới lục địa trẻ, lớp phủ nóng hơn, kim cương không có chỗ ổn định để tích luỹ. Magma kimberlit đi qua vùng giàu kim cương thì mang được kim cương; đi qua vùng nghèo thì lên tay trắng dù đá trông y hệt.

Về sau quy tắc được tinh chỉnh: lamproit Argyle nằm ở đai tạo núi bám rìa lõi cổ chứ không nằm giữa lõi. Nhưng như một kim chỉ nam thăm dò, quy tắc Clifford vẫn là câu đầu tiên trong mọi giáo trình địa chất kim cương.

Vì sao nhiều ống không có kim cương

Trong hàng nghìn ống kimberlit đã biết trên thế giới, chỉ một phần nhỏ có kim cương, và còn ít hơn nữa đủ giàu để mở mỏ. Có ba lý do chính:

1. Nguồn nghèo: magma không đi qua tầng lớp phủ chứa kim cương, hoặc đi qua nhưng tầng đó vốn ít kim cương.
2. Bị hoà tan dọc đường: kimberlit nóng và giàu chất lỏng có thể ăn mòn kim cương. Đi chậm hay dừng lâu trong buồng magma thì kim cương bị "gặm" mất một phần hoặc hết. Dấu vết ăn mòn còn lại trên mặt nhiều viên thô.
3. Pha loãng: trong cùng một ống có thể có nhiều đợt phun, mỗi đợt một hàm lượng. Mảnh đá vây quanh rơi vào ống càng nhiều thì quặng càng loãng.

Hàm lượng quặng kim cương thường tính bằng carat trên trăm tấn đá. Một carat bằng 0,2 gam. Một ống cho 1 carat mỗi tấn nghĩa là trong một triệu gam đá chỉ có 0,2 gam kim cương, tức khoảng 0,2 phần triệu. Đó là lý do người ta phải nghiền hàng triệu tấn đá mỗi năm ở một mỏ lớn. Và hàm lượng cao chưa chắc là mỏ tốt: chất lượng, kích thước và màu của từng viên quyết định nhiều hơn tổng số carat.

Thăm dò một ống: từ hạt cát đến mũi khoan

Bài toán thăm dò là tìm một vật thể rộng vài trăm mét, thường đã bị đất phủ kín, giữa vùng rộng hàng chục nghìn kilomet vuông. Các bước thường theo trình tự:

• Lấy mẫu khoáng vật chỉ thị trong sỏi suối, đất băng tích, để khoanh vùng nguồn (chi tiết về các hạt chỉ thị có ở bài về đường đi của kim cương trên site thamhiem).
• Đo địa vật lý: kimberlit thường khác đá vây quanh về từ tính, điện trở và tỷ trọng. Bay đo từ trên máy bay cho ra những "chấm tròn" dị thường đáng ngờ.
• Đọc địa hình: kimberlit phong hoá nhanh hơn đá granit xung quanh. Ở vùng Lac de Gras, băng hà đã bào mòn phần đá mềm ấy thành lòng chảo, nên nhiều ống nằm ngay dưới các hồ nhỏ. Mỏ ở đây phải đắp đê, tháo nước hồ mới đào được.
• Khoan và lấy mẫu khối lớn: khoan xác nhận đá là kimberlit, rồi lấy hàng trăm đến hàng nghìn tấn mẫu để ước hàm lượng và chất lượng. Với kim cương, vài mẫu khoan nhỏ gần như không nói được gì, vì viên đá quá thưa.

Một quy trình như vậy kéo dài nhiều năm. Từ lúc phát hiện ống đầu tiên ở Lac de Gras năm 1991 đến khi mỏ Ekati cho viên kim cương thương mại đầu tiên là năm 1998.

Góc nhìn hôm nay: đọc ống kimberlit ở đâu

Việt Nam chưa có mỏ kim cương gốc được khai thác thương mại, và các đá giống kimberlit từng được nghiên cứu ở trong nước chưa cho thấy giá trị kim cương. Người muốn hiểu ống kimberlit bằng mắt có thể bắt đầu từ:

• Big Hole ở Kimberley (Nam Phi): ống kimberlit lộ thiên đào tay nổi tiếng nhất, nay là bảo tàng ngoài trời; nhìn xuống thấy rõ thành phễu dốc.
• Bộ mẫu kimberlit và thể tù lớp phủ ở các bảo tàng lịch sử tự nhiên lớn như Smithsonian (Washington) hay Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên London. Nhìn kỹ một lát cắt sẽ thấy hạt garnet đỏ tím, olivine xanh giữa nền xám.
• Tài liệu mở của USGS và Hội Địa chất các nước về địa chất kim cương; tạp chí Gems & Gemology của GIA có nhiều bài về các mỏ cụ thể.

Điều mang về: lần sau nghe "mỏ kim cương", hãy hình dung một cái phễu đá hẹp cắm xuống lòng đất, chứa thứ đá xanh xám lẫn những mảnh vụn từ độ sâu hàng trăm kilomet, và kim cương chỉ là vị khách đi nhờ.