Genesis and thermobarometry of inclusions in diamonds from Voorspoed kimberlite (South Africa)

Diamonds from Voorspoed kimberlite, South Africa, are known for the unusual features of their inclusions and source rock paragenesis. In fact, they frequently contain exsolved clino- and orthopyroxene inclusions, interpreted as transitional between the websteritic and lherzolitic types. Recent thermobarometric data have shown that these inclusions formed as homogeneous pyroxenes by metasomatic reactions between the mantle rocks and fluids/melts during thermal pulses. The aim of this Ph.D. project is to study a suite of the Voorspoed diamonds and their inclusions to constrain the mechanism of formation and their genetic relationships. I propose a novel approach to study the crystallographic orientation for diamond-inclusion pairs based on misorientation distribution analysis. The orientation analysis of 46 clino- and orthopyroxenes in 18 diamonds show that ~25% of the analysed samples are specifically oriented relative to their diamond hosts. These inclusions are interpreted to have formed co-genetically with diamond from the same reactions (i.e., they are syngenetic). Other samples present clusters of iso-oriented clinopyroxenes, interpreted to represent the remains of pre-existent grains that were partially dissolved by the diamond-forming fluid and entrapped during the diamond growth (i.e., they are protogenetic). The comparison with a random model and the collection of a database containing the orientation for the most common inclusion-diamond pairs highlighted that Voorspoed inclusion orientations significantly differ from what observed at other diamond localities. Finally, diffusion modelling showed that the Sm-Nd isotopic system in clinopyroxene, depending on inclusion size and the temperature regime of diamond formation, may not fully re-equilibrate during diamond formation events if they are protogenetic. It is therefore advisable to use small-sized clinopyroxene inclusions, preferably <0.2 mm, equilibrated at temperatures higher than 1050–1080 °C for dating the diamond crystallisation, since such inclusions will most likely re-equilibrate during the diamond formation event and result in reliable ages.

I diamanti della kimberlite di Voorspoed, in Sudafrica, sono noti per le caratteristiche inusuali delle loro inclusioni e l’insolita paragenesi di provenienza. Infatti, contengono frequentemente inclusioni essolute di clino- e ortopirosseno con composizione transizionale tra i tipi websteritico e lherzolitico. Recenti dati termobarometrici hanno evidenziato che queste inclusioni si sono formate come pirosseni omogenei per reazioni metasomatiche tra il mantello e dei fluidi/fusi durante impulsi termici. Lo scopo di questo progetto di dottorato è di studiare dei diamanti da Voorspoed e le loro inclusioni per comprendere il meccanismo di formazione e le relazioni genetiche. In questo lavoro ho proposto un nuovo metodo per studiare l'orientazione cristallografica in sistemi inclusione-diamante, basato sull'analisi delle distribuzioni di misorientazione. L'analisi delle orientazioni di 46 clino- e ortopirosseni inclusi in 18 diamanti ha evidenziato che circa il 25% dei campioni analizzati sono orientati specificamente con il diamante, si pensa quindi che si siano originati contemporaneamente dalle stesse reazioni (ovvero singenetiche). Altri campioni presentano cluster di clinopirosseni iso-orientati, che rappresentano frammenti di minerali preesistenti parzialmente disciolti dal fluido che ha formato il diamante e sono stati intrappolati durante la sua crescita (ovvero protogenetiche). Il confronto con un modello random e la raccolta di un database contenente l'orientamento per le più frequenti inclusioni minerali nei diamanti ha evidenziato che le orientazioni dei campioni di Voorspoed sono significativamente diverse da quanto osservato in tutte le altre località. Infine, la modellizzazione della diffusione ha mostrato che il ripristino del sistema isotopico Sm-Nd nel clinopirosseno, a seconda della dimensione dell'inclusione e del regime di temperatura di formazione del diamante, potrebbe non riequilibrarsi completamente durante gli eventi di formazione del diamante se sono protogenetici. Si consiglia quindi di utilizzare inclusioni di clinopirosseno di piccole dimensioni, preferibilmente <0.2 mm, equilibrate a temperature superiori a 1050–1080 °C per la datazione del diamante, poiché è più probabile che si siano riequilibrate durante l’evento di formazione del diamante e consente di ottenere risultati affidabili.