Diamanti, tesina

I diamanti

Tesina di

Laetitia Vianello

Scienze

Introduzione

Per conoscere l’origine del diamante è necessario accennare all’elemento chimico carbonio (C). Il carbonio appartiene al IV gruppo della tavola periodica degli elementi e combinato è uno degli elementi fondamentali della materia organica. Esso si trova in natura anche allo stato elementare, cioè come carbonio puro non combinato. In questo stato elementare esso può presentarsi come diamante o come grafite.

Nonostante l’identica composizione chimica, questi due minerali presentano caratteristiche fisiche del tutto differenti. Ciò dipende dal fatto che il reticolo formato dagli atomi di carbonio e dai legami fra di essi assume forme diverse. Questa differente disposizione degli atomi si ripercuote nelle loro caratteristiche fisico-chimiche.

Nella scala di durezza Mohs la grafite si trova al livello 1-2, risultando pertanto un minerale tra i più teneri in natura; il diamante si trova al valore massimo, ossia 10, risultando il minerale più duro esistente in natura. La grafite è un minerale sempre opaco, nero, a differenza del diamante che può presentarsi trasparente e incolore; ancora, la grafite brucia più facilmente del diamante ed è attaccabile parzialmente da alcuni acidi.

La formazione dei diamanti

I fattori che determinano la cristallizzazione del carbonio in forma di diamante o di grafite possono essere semplificati nella temperatura e nella pressione al momento della cristallizzazione. Il diamante è la varietà di carbonio di alta pressione. Studi di laboratorio hanno evidenziato che esso si forma con pressioni di almeno 50 kbar e temperature superiori a 900 °C. A pressioni o temperature più basse si forma la grafite. A temperature superiori ai 1.200 °C si forma nuovamente la grafite. A pressioni di circa 50 kbar, quindi, la formazione del diamante è limitata a temperature che vanno dai 900 °C ai 1.200 °C. In natura pressioni di 50 kbar si riscontrano nello strato superiore del mantello terrestre, a una profondità di 150 km o più.

Solitamente a queste profondità la temperatura supera i 1.200 °C, eccetto nella parte inferiore dei vecchi cratoni stabili Archeani, dove le temperature sono comprese tra i 900 °C e i 1200 °C. È questo il posto dove si sono formati i diamanti; eruzioni vulcaniche di origine profonda possono aver portato i diamanti dalla profondità di 150-200 km in superficie. Durante il trasporto verso la superficie il diamante attraversa zone con temperature e pressioni diverse da quelle del suo campo di stabilità, quindi il trasporto deve essere avvenuto in modo rapido per evitare la trasformazione del diamante in grafite o la sua combustione. La velocità di risalita di tali magmi, detti kimberlitici, è stata valutata intorno ai 70 km/h.

Da recenti studi geologici, si ipotizza che i diamanti possano formarsi anche sotto gli oceani in condizioni fisiche adeguate, sempre che vi sia la presenza del carbonio. Il magma kimberlitico che risale dal mantello segue fratture profonde all’interno della crosta terrestre; vicino alla superficie il peso delle rocce sovrastanti non è in grado di contrastare la pressione dei gas magmatici e di conseguenza si verifica un’eruzione vulcanica esplosiva. La struttura del vulcano risulta costituita da radici profonde, dicchi, un condotto a forma di carota e da un eventuale cratere esterno. Questi tipi di vulcani sono chiamati kimberliti o lamproiti; la loro differenza dipende solo dalla diversa composizione mineralogica e chimica. I condotti esplosivi e i crateri sono una mistura di kimberlite e roccia del posto polverizzata e contengono piccole quantità di diamanti, nell’ordine di 1 ct per ton di roccia. Una volta formato, l’edificio vulcanico esterno iniziò e continuò per milioni di anni ad essere eroso ad opera della pioggia e del vento, fenomeni esogeni. In molti casi l’erosione fu così radicale da portare al suo completo smantellamento, facendo rimanere solo la kimberlite del condotto vulcanico.

Nella media circa il 10% dei camini kimberlitici contiene diamanti in quantità economicamente valida. Le kimberliti diamantifere con diamanti da gemma pari a 0,1 ct/ton sono estremamente rare. Attualmente sono state sfruttate circa 30 kimberliti diamantifere. Trovare nuovi giacimenti di kimberlite è la nuova sfida, poiché la maggior parte di quelli facilmente ritrovabili sono già stati scoperti.

Tecnologia

L’estrazione e i processi di separazione del diamante

I primi cercatori utilizzavano solo la vista per individuare i cristalli che urti, sfregamenti ed abrasioni avevano reso quasi del tutto opachi. Questo metodo, tuttora utilizzato dai cercatori solitari, è comunque in uso presso miniere dotate di impianti industriali, semplicemente per impedire che diamanti di grandi dimensioni possano finire in frantumi insieme alla roccia madre che li contiene.

Il processo tecnologico per l’estrazione dei diamanti si articola così: i geologi individuano i luoghi in cui scavare e gli artificieri aprono una cavità nella roccia con l’aiuto degli esplosivi. Poi, sulle superfici così ottenute cominciano a lavorare le trivelle; il materiale scavato viene raccolto da appositi mezzi a cassone ribaltabile, che trasportano il minerale grezzo fino a un bunker, dal quale esso viene poi inviato all’impianto in cui si svolgerà il processo di arricchimento: i diamanti estratti vengono separati dai minerali sterili. Le pietre vengono poi inviate al centro di smistamento, dove vengono suddivise in gruppi in base al loro grado di purezza e alle dimensioni.

Giacimenti primari

I giacimenti primari sono quelli in cui i diamanti si trovano ancora all’interno della roccia madre, tipicamente la kimberlite. Qui il camino diamantifero è quanto rimane dell’antico vulcano nella cui lava si formarono i diamanti. Del vulcano non rimane nulla, perché vento e piogge hanno provveduto a disgregare la lava e a trasportarla, diamanti compresi, anche a migliaia di chilometri di distanza. Al giorno d’oggi la maggior parte delle miniere viene lavorata con metodo di estrazione sotterranea. Normalmente l’estrazione di superficie prosegue fino ad esaurimento, per poi passare all’estrazione sotterranea.

Nelle miniere sotterranee il pozzo principale è posizionato di fianco al camino diamantifero e ha una profondità massima di 1500 metri. Arrivati alla fine del pozzo partono le gallerie che entrano direttamente nel camino diamantifero. Per l’estrazione dei diamanti tramite gallerie esistono 3 metodi:

• Estrazione per vuoti o per camere;
• Estrazione per frammenti a blocchi;
• Estrazione “glory hole”.

Il peso specifico relativamente elevato dei diamanti provoca la loro caduta nelle vasche sottostanti, eventualmente mischiati ad altri minerali pesanti.

Altro passaggio, ad un’altra macchina che, con un nastro trasportatore, fa cadere i diamanti ed i minerali attraverso un proiettore a raggi X, ai quali i diamanti sono trasparenti: così, ad alta velocità, un soffio d’aria comandato dal sensore RX provvede a separare le gemme dai materiali estranei.

Giacimenti secondari

I giacimenti secondari sono quelli in cui i diamanti si trovano dispersi in rocce sedimentarie spesso incoerenti, tipo sabbia o ghiaia, trasportati lontano dai luoghi dove si trovava la roccia madre e da cui derivano per disgregazione della stessa, ossia in terreni alluvionali. Nei giacimenti alluvionali, non dovendo sminuzzare la roccia, il procedimento è più semplice: si usa solo il metodo gravitazionale con l’acqua, facendo cadere il materiale diamantifero in grandi vasche. In seguito i diamanti e i residui di ganga vengono portati via da nastri trasportatori cosparsi di grasso, tecnica della “tavola col grasso”, al quale i diamanti e la ganga aderiscono. Qui una moderata corrente d’acqua continua rimuove la ganga, ma lascia i diamanti aderenti alle superfici ingrassate. Il diamante è estremamente affine al grasso, ecco perché i gioielli con diamanti devono essere puliti con maggiore frequenza, e questa sua proprietà ne consente una ricerca sistematica anche in zone prive di strutture tecniche.

Estrazioni oceaniche

Oltre alle modalità precedentemente descritte, i diamanti vengono estratti anche dai fondali oceanici. Le estrazioni oceaniche, possibili fino a 200 metri, possono avvenire tramite due modalità: il sistema verticale e quello orizzontale. Nel sistema orizzontale un mezzo cingolato sul fondale marino raccoglie ghiaie contenenti diamanti e le porta alla nave attraverso tubi flessibili. Nel sistema verticale una trivella di grande diametro perfora i fondali e recupera la ghiaia contenente i diamanti aspirandola in superficie.

La storia della ricerca di diamanti nei fondali marini ha inizio nel 1960, al largo delle coste del sud della Namibia, dove oggi troviamo i più ricchi giacimenti di diamanti marini noti in tutto il mondo. I primi tentativi furono fatti impiegando una tecnica di estrazione un po’ primitiva: il dragaggio del fondale. Con questa tecnica, nonostante la sua semplicità, il suo ideatore Sam Collins riuscì a recuperare diamanti per circa 788.000 carati.

Nonostante i primi successi di Collins e di altri imprenditori che si buttarono in questo business durante gli anni ’60, l’estrazione di diamanti dai fondali marini ha raccolto grande interesse soltanto più tardi, quando è stata scoperta una tecnologia adeguata di estrazione su larga scala a costi tali da rendere redditizia tutta l’impresa.

La De Beers, dopo aver acquistato i diritti di estrazione lungo le coste della Namibia e del Sud Africa, ha lavorato durante tutti gli anni ’70 per mettere a punto un processo di estrazione vantaggioso e soltanto nel 1980 ha potuto iniziare l’estrazione di diamanti vera e propria.

Selezione dei diamanti

I diamanti raccolti sono suddivisi in due gruppi: di qualità superiore, cioè gemmologica, il 20%, adatti ad essere tagliati e lucidati per produrre gioielli, e di qualità inferiore, adatti per applicazioni industriali. Da ora in poi sarà solo l’occhio umano a valutare il colore del cristallo, la sua trasparenza, le particolarità della forma e delle eventuali inclusioni per deciderne il futuro.

Ora verranno costituiti i famosi “sights”, quei lotti di grezzo che nel corso di aste periodiche, una decina all’anno circa, verranno assegnati, a scatola chiusa, ad un ristretto gruppo di compratori, più o meno 260 persone in tutto il mondo.

Oltre a considerare le disponibilità e le richieste del momento, questi lotti saranno attentamente misurati per consentire una valorizzazione costante, su base mondiale, delle gemme in circolazione. Solo con un attento dosaggio dell’offerta, infatti, ci si può cautelare contro un disastroso crollo dei prezzi, crollo che seguirebbe immediatamente ad una selvaggia immissione sul mercato di tutte le disponibilità esistenti.

Applicazioni industriali

I diamanti adatti per uso industriale sono quelli non idonei ad essere utilizzati come gemme oppure quelli prodotti sinteticamente, per il loro costo ridotto.

Essendo uno dei materiali più duri e abrasivi che si conoscono, il diamante può essere usato per lucidare e tagliare qualsiasi materiale, come pietre, vetro, marmo e granito, nonché altri diamanti.