ธรณีวิทยาและการก่อตัว

เพชรธรรมชาติเกือบทั้งหมดตกผลึกในรากลึกของผืนทวีปโบราณที่มั่นคง ซึ่งเรียกว่า คราตอน ที่ความดันเหนือ 4 GPa และอุณหภูมิ 950–1400 °C GIA วางขอบบนของช่วงเสถียรนั้นไว้ที่ราว 140 km โดยเพชรอัญมณีส่วนใหญ่เติบโตระหว่างราว 150 ถึง 250 km การหาอายุจากมลทินให้อายุมากกว่าหนึ่งพันล้านปี บางเม็ดใกล้ 3.5 พันล้านปี

เพชรขึ้นสู่ผิวโลกผ่านหินหนืดที่หายากเพียงสามชนิด คือ คิมเบอร์ไลต์ แลมโพรไอต์ และแลมโพรไฟร์ ทั้งสามชนิดเกิดจากการหลอมเหลวปริมาณน้อยในเนื้อโลกลึก มีสารระเหยและแมกนีเซียมสูง และปะทุอย่างรวดเร็วที่ประมาณ 4 ถึง 20 m ต่อวินาที หินหนืดคิมเบอร์ไลต์อาจก่อกำเนิดลึกถึง 200–300 km มันแทรกดันขึ้นด้านบนโดยทำให้หินแตก แก๊สแยกออกจากสารละลายเมื่อความดันลดลง และการปะทุสร้างปล่องขึ้นเป็นสามส่วน ได้แก่ ปากปล่อง ไดอะทรีม ของหินที่แตกกระจายซึ่งมีผนังชันราว 82 องศา และเขตรากของคิมเบอร์ไลต์แทรกซอน ตามกฎของ Clifford คิมเบอร์ไลต์ที่มีเพชรปะทุผ่านส่วนที่เก่าแก่ที่สุดในยุคอาร์คีนของคราตอน เหมือง Argyle ของออสเตรเลียตะวันตกซึ่งเป็นแลมโพรไอต์ เคยเป็นผู้ผลิตเพชรสีชมพูและน้ำตาลรายสำคัญจนกระทั่งปิดตัวในปี 2020 แม้แร่คุณภาพดีก็ยังมีความสมบูรณ์ต่ำ USGS ระบุความสมบูรณ์ของคิมเบอร์ไลต์ที่ทำเหมืองไว้ที่เพชร 0.1 ถึง 0.6 ppm

เพชร ลึกพิเศษ ก่อตัวที่ราว 300–800 km และคิดเป็นประมาณ 2% ของเพชรที่ทำเหมืองได้ทั่วโลก ในกลุ่มนี้รวมถึงพลอย CLIPPIR ที่มีไนโตรเจนต่ำและเพชรสีน้ำเงิน type IIb ที่มีโบรอน

การกร่อนปลดปล่อยอัญมณีออกจากหินต้นกำเนิด และแม่น้ำ คลื่นและกระแสน้ำพัดพามันไป แร่อัญมณีแข็ง ทนสารเคมี และหนาแน่นกว่าทรายควอตซ์ มันจึงสะสมตัวที่ซึ่งกระแสน้ำช้าลง ได้แก่ สันกรวด แอ่งหลุม ตะพักลำน้ำเก่าและชายหาด การสะสมตัวเหล่านี้คือ ลานแร่ ส่วนลานแร่ที่แม่น้ำพัดพามาสะสมเรียกว่าแหล่ง ตะกอนน้ำพา ผลึกที่มีตำหนิมักแตกหักระหว่างการพัดพา ลานแร่จึงมักมีพลอยที่สมบูรณ์มากกว่าแหล่งต้นกำเนิดของมัน บทปริทัศน์แหล่งคอรันดัมของ GIA ระบุว่าลานแร่ในสภาพแวดล้อมหินแปร เช่นที่ รัตนปุระและ Elahera ในศรีลังกา และ Ilakaka ในมาดากัสการ์ ให้แซปไฟร์คุณภาพสูงที่สุด

ระบบลานแร่เพชรที่ใหญ่ที่สุดอยู่ตามชายฝั่งแอตแลนติกทางตอนใต้ของนามิเบีย แม่น้ำ Orange เป็นเส้นทางหลักที่พาเพชรจากภายในแอฟริกาตอนใต้มายังชายฝั่ง และการพัดพาเลียบฝั่งไปทางเหนือกระจายเพชรไปตามชายหาดและพื้นทะเลไกลกว่า 150 km เลยปากแม่น้ำเดิม ทั้งขนาดกรวดและขนาดเพชรลดลงเมื่อไปทางเหนือ การศึกษาแหล่งเหล่านี้ในปี 2006 ระบุว่าชายฝั่งนามิเบียคิดเป็นมากกว่า 55% ของเพชรตะกอนน้ำพา 130 ล้านกะรัตที่ทำเหมืองได้ในแอฟริกาตอนใต้จนถึงขณะนั้น ปัจจุบันการทำเหมืองในทะเลครองสัดส่วนหลัก บทความปี 2020 รายงานว่ามีกองเรือเจ็ดลำทำงานบนพื้นทะเลที่ความลึกน้ำถึง 150 m และเก็บกู้เพชรได้มากกว่าสามในสี่ของผลผลิตเพชรของนามิเบีย

เพกมาไทต์ คือหินอัคนีที่ประกอบด้วยผลึกขนาดใหญ่ผิดปกติสานประสานกัน เพกมาไทต์ที่มีอัญมณีส่วนใหญ่เป็นชนิดแกรนิต มันตกผลึกจากส่วนสุดท้ายที่มีน้ำสูงของหินหนืดแกรนิตที่กำลังเย็นตัว ซึ่งเป็นกากที่เข้มข้นด้วยธาตุที่เข้ากันไม่ได้กับแร่ก่อหินสามัญ ได้แก่ ลิเทียม เบริลเลียม โบรอน ฟลูออรีน ฟอสฟอรัส รูบิเดียม ไนโอเบียม ซีเซียมและแทนทาลัม ที่อุณหภูมิต่ำของช่วงนี้ ผลึกใหม่ก่อตัวช้ากว่าที่ผลึกเดิมจะเติบโต ผลึกไม่กี่ผลึกจึงมีขนาดใหญ่มาก แทนที่จะมีผลึกจำนวนมากที่ยังเล็ก งานวิจัยล่าสุดชี้ว่าอัตราการเติบโตอาจถึงหนึ่งเมตรหรือมากกว่าต่อวัน

ผลึกอัญมณีพบบ่อยที่สุดใน โพรง ที่เปิดอยู่หรือมีดินเหนียวอุดในเขตแกนและเขตกลางของมวลหิน ซึ่งเป็นที่ที่มันเติบโตได้อย่างอิสระเข้าไปในช่องว่างที่เต็มไปด้วยของไหล มวลหินที่มีโพรงเช่นนี้เรียกว่าเพกมาไทต์ไมอะโรลิติก และอยู่ภายในหรือใกล้พลูตอนที่แทรกดันขึ้นมาถึงระดับตื้นในเปลือกโลก เพกมาไทต์ตระกูลลิเทียม-ซีเซียม-แทนทาลัม (LCT) มีจำนวนมากกว่าตระกูลไนโอเบียม-อิตเทรียม-ฟลูออรีน (NYF) อย่างมาก และเป็นผู้ผลิตทัวร์มาลีน เบริล สปอดูมีน โทแพซและการ์เนตอัญมณีรายสำคัญ

เขตอัญมณีเพกมาไทต์ที่รู้จักกันดีได้แก่ Minas Gerais ในบราซิล มาดากัสการ์ เขต Skardu ของปากีสถาน และ San Diego County ในแคลิฟอร์เนีย ซึ่งเหมือง Oceanview ยังคงให้คุนไซต์ เพกมาไทต์ให้ผลึกขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่ทราบบางส่วน โดยมีรายงานสปอดูมีนและเบริลยาว 10 m หรือมากกว่า

ทับทิมที่มีมูลค่าสูงที่สุดหลายเม็ดเติบโตในหินอ่อน ซึ่งเป็นหินแปรที่เกิดเมื่อหินปูนตกผลึกใหม่ภายใต้ความร้อนและความดัน แนวแหล่งทับทิมในหินอ่อนพาดผ่านเอเชียกลางและเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ได้แก่ Jegdalek ในอัฟกานิสถาน หุบเขา Hunza และ Nangimali ในปากีสถาน Chumar และ Ruyil ในเนปาล โมกกและ Mong Hsu ในเมียนมา และ Luc Yen กับ Quy Chau ในเวียดนาม ทั้งหมดอยู่ในพื้นที่ที่ถูกบิดเบี้ยวจากการชนกันของอินเดียกับเอเชีย และการหาอายุด้วยรังสีให้อายุแหล่งในเอเชียกลางและเอเชียตะวันออกเฉียงใต้อยู่ในสมัยโอลิโกซีนถึงไพลโอซีน ราว 40 ถึง 5 ล้านปี

บทปริทัศน์แหล่งคอรันดัมของ GIA ระบุว่าทับทิมในหินอ่อนเหล่านี้เติบโตที่ราว 620–670 °C และ 2.6–3.3 kbar ผลึกกระจายอยู่ทั่วเนื้อหินร่วมกับโฟลโกไพต์ มัสโคไวต์ สแคโพไลต์ มาร์การไรต์ สปิเนล ไทเทไนต์ ไพไรต์และแกรไฟต์ จึงเป็นเหตุให้สปิเนลสีแดงคุณภาพดีออกมาจากแหล่งขุดเดียวกัน โดยเฉพาะที่โมกก เขตหินอัญมณีโมกกในเมียนมาให้ทับทิม เลือดนกพิราบ มาตั้งแต่ราวปี ค.ศ. 600

ไม่ใช่ทุกแหล่งทับทิมคุณภาพดีจะอยู่ในหินอ่อน Montepuez ในโมซัมบิกเป็นแหล่งชนิดแอมฟิโบไลต์ในหินมาฟิกและอัลตรามาฟิกที่แปรสภาพ และผลผลิตส่วนใหญ่มาจากพื้นที่ทุติยภูมิใกล้เคียง ได้แก่ ตะกอนเชิงเขาที่เป็นเศษหินเหลี่ยม โดยมีกรวดมนเรียบจากตะกอนน้ำพาในสัดส่วนที่น้อยกว่า

แซปไฟร์สีน้ำเงิน เขียวและเหลืองจำนวนมากเก็บกู้ได้จากดินและกรวดเหนือทุ่งหินบะซอลต์แอลคาไลอายุน้อย แหล่งชนิดนี้พาดจากแทสเมเนียผ่านออสเตรเลียตะวันออก เอเชียตะวันออกเฉียงใต้และจีนตะวันออก ไปจนถึงรัสเซียตะวันออกไกล และยังมีการทำเหมืองในไนจีเรียและแคเมอรูน ในมาดากัสการ์ และที่ Aksum ในเอธิโอเปีย หินบะซอลต์ไม่ได้สร้างอัญมณีเหล่านี้ แซปไฟร์เป็น ซีโนคริสต์ คือผลึกที่แปลกปลอมจากลาวาที่พามันขึ้นมา พบในลาวาหลากและปลั๊กของหินบะซอลต์โอลิวีนกึ่งแอลคาไล หินบะซอลต์แอลคาไลที่มีอะลูมินาสูง และหินบะซาไนต์ ในสภาพแวดล้อมเปลือกโลกที่ถูกยืดออกเหนือพวยเนื้อโลกที่ลอยขึ้น การผุพังของลาวาหลากเหล่านั้นทิ้งแหล่งตะกอนน้ำพาที่ทำเหมืองกันอยู่ทุกวันนี้ โดยส่วนใหญ่อยู่ทางตอนเหนือของนิวเซาท์เวลส์และตอนกลางของควีนส์แลนด์

แซปไฟร์เหล่านี้มีเคมีที่จำแนกได้ ในการศึกษาปี 2007 J.-J. Peucat และคณะแสดงว่าแซปไฟร์สีน้ำเงินชนิดหินหนืดจากหินบะซอลต์แอลคาไลมีเหล็ก 2000 ถึง 11000 ppm แกลเลียมมากกว่า 140 ppm และโดยทั่วไปมีแมกนีเซียมต่ำกว่า 20 ppm ทำให้อัตราส่วนแกลเลียมต่อแมกนีเซียมสูงกว่า 10 ส่วนแซปไฟร์สีน้ำเงินชนิดหินแปร รวมถึงพลอยสีพาสเทลจาก ไพลินในกัมพูชาและวัตถุดิบจากโมกก ศรีลังกาและ Ilakaka มีเหล็กต่ำกว่า 3000 ppm และอยู่ต่ำกว่าอัตราส่วน 10 ห้องปฏิบัติการยังใช้เส้นแบ่งนั้นเป็นหลักฐานทางหนึ่ง

แซปไฟร์ Yogo Gulch ของรัฐมอนแทนาเป็นกรณีหินหนืดที่เกี่ยวข้องกัน แต่หินต้นกำเนิดของมันเป็นแลมโพรไฟร์แอลคาไลน์มากกว่าหินบะซอลต์

มรกตต้องการเบริลเลียม ซึ่งเข้มข้นในหินแกรนิตและเพกมาไทต์ ร่วมกับโครเมียมหรือวาเนเดียม ซึ่งเข้มข้นในหินมาฟิกและอัลตรามาฟิกสีเข้มและในหินดินดานบางชนิด แหล่งส่วนใหญ่นำทั้งสองอย่างมาพบกัน บทปริทัศน์ของ GIA ระบุว่าแหล่งชนิดที่อยู่ในหินมาฟิกและอัลตรามาฟิกที่แปรสภาพคิดเป็นราว 70% ของผลผลิตโลก โดยมีบราซิล แซมเบียและรัสเซียเป็นผู้ป้อนหลัก

แหล่งของโคลอมเบียในเทือกเขา Eastern Cordillera ก่อตัวด้วยวิธีอื่น โดยไม่มีกิจกรรมอัคนีเข้ามาเกี่ยวข้อง มรกตพบในสายแร่และหินกรวดเหลี่ยมภายในหินดินดานสีดำยุคครีเทเชียสตอนล่าง ในบทความวารสาร Nature ปี 1994 T. L. Ottaway และคณะแสดงสำหรับเหมือง Muzo ว่าน้ำเกลือร้อนพาซัลเฟตจากหินระเหยไปยังโครงสร้างที่เอื้ออำนวย ซึ่งมันถูกรีดิวซ์ทางเคมี จากนั้นกำมะถันทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์ในหินดินดาน ปลดปล่อยโครเมียม วาเนเดียมและเบริลเลียมที่ถูกกักไว้ที่นั่น GIA ระบุว่าของไหลจากแอ่งเหล่านี้อยู่ที่ 300–330 °C และมีความเค็มเทียบเท่า NaCl ถึง 40 wt.% ก่อตัวที่ระดับลึกซึ่งน้ำฟ้าและน้ำในชั้นหินมาพบกับชั้นเกลือและลำดับชั้นหินระเหย

เหมืองแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม เขตตะวันตกมี Muzo, Coscuez, Peñas Blancas, Cunas, La Pita และ Yacopi ส่วนเขตตะวันออกมีเขต Gachalá, Chivor และ Macanal

ทุ่งโอปอลมีค่าของออสเตรเลียอยู่ในและตามขอบของแอ่ง Great Artesian Basin ซึ่งหินยุคครีเทเชียสของมันสะสมตัวในและข้างทะเลตื้นภายในแผ่นดินที่ชื่อทะเล Eromanga แหล่ง Coober Pedy และ Andamooka ในเซาท์ออสเตรเลีย White Cliffs และ Lightning Ridge ในนิวเซาท์เวลส์ และทุ่งบาวเดอร์โอปอลของควีนส์แลนด์ ล้วนตั้งอยู่ในตะกอนเหล่านี้ และเก็บกู้โอปอลได้จากหน่วยหินทรายและหินดินเหนียวยุคครีเทเชียสเป็นหลัก

โอปอลก่อตัวอย่างไรยังเป็นที่ถกเถียง การสำรวจทุ่งโอปอลของ GIA เสนอทฤษฎีการผุพัง ทฤษฎีจุลชีพและทฤษฎีร่วมการแปรสัณฐาน โดยงานวิจัยที่ใหม่กว่าชี้ไปที่แนวรีดอกซ์ที่เคลื่อนผ่านชั้นดินผุลึก ช่วงเวลาที่เกิดก็ยังเป็นข้อโต้แย้งเช่นกัน

ลักษณะแหล่งแตกต่างกันไปตามทุ่ง ที่ Lightning Ridge แบล็กโอปอลพบเป็นก้อนในดินเหนียวสีขาวของหน่วย Finch Claystone ยุคครีเทเชียสตอนต้น นักขุดเรียกก้อนเหล่านี้ว่า นอบบี และแหล่งมักอยู่ลึกจากผิวดินน้อยกว่า 30 m นอบบีส่วนใหญ่เป็นพอตช์สีเทาเข้ม โดยมีโอปอลมีค่าอยู่ในบางส่วน และพื้นสีเข้มนั้นเองที่ทำให้แบล็กโอปอลคุณภาพดีมีการเล่นสี ในควีนส์แลนด์ โอปอลเติมอยู่ในก้อนหินเหล็กที่มีซิลิกา ซึ่งนักขุดเรียกว่าใบบัวหรือลูกนัต ในหน่วย Desert Sandstone อายุครีเทเชียสตอนบน โอปอลยังเข้าแทนที่ซากดึกดำบรรพ์ยุคครีเทเชียสด้วย ตั้งแต่สิ่งมีชีวิตขนาดจุลทรรศน์ไปจนถึงโครงกระดูกไดโนเสาร์

มีวัสดุสองอย่างที่อยู่ชายขอบของอัญมณีศาสตร์ อย่างหนึ่งมีอยู่จริงแต่แทบไม่เคยใหญ่พอจะเจียระไน อีกอย่างหนึ่งยังเป็นที่โต้แย้งว่ามีอยู่จริงหรือไม่

มอยส์ซาไนต์ คือซิลิคอนคาร์ไบด์ ซิลิคอนคาร์ไบด์ธรรมชาติหายากมากและพบเป็นผลึกจิ๋ว โดยทั่วไปเล็กกว่า 1.5 mm ในแหล่งเพียงไม่กี่แห่งทั่วโลก ผลึกธรรมชาติที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่ทราบมาจากแม่น้ำ Kishon ทางตอนเหนือของอิสราเอล ซึ่งวัสดุที่เก็บกู้ได้เติบโตจาก 0.1 ถึง 1 mm ราวปี 2000 เป็น 2.2 mm ในปี 2002, 3.5 mm ในปี 2009 และ 4.1 mm ในปี 2012 ที่ขนาดเท่านั้นผลึกธรรมชาติไม่สามารถเจียระไนเป็นเหลี่ยมได้ มอยส์ซาไนต์ที่ใช้ในเครื่องประดับจึงเป็นของที่ปลูกในห้องปฏิบัติการ

ลอนส์เดลไลต์ หรือที่เรียกว่าเพชรระบบหกเหลี่ยม ถูกใช้อย่างกว้างขวางเป็นตัวบ่งชี้การชนของดาวเคราะห์น้อย และเชื่อกันว่ามีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนจากแกรไฟต์เป็นเพชร แม้จะพยายามกันมานาน มันก็ไม่เคยถูกผลิตหรือบรรยายไว้ในฐานะวัสดุบริสุทธิ์ที่แยกต่างหาก ในปี 2014 Péter Németh และคณะรายงานใน Nature Communications ว่าตัวอย่างที่แสดงลักษณะซึ่งเคยยกให้ลอนส์เดลไลต์นั้นคือเพชรระบบลูกบาศก์ที่อัดแน่นด้วยผลึกแฝด {113} และความบกพร่องการเรียงซ้อน {111} รวมถึงวัสดุจากอุกกาบาต Canyon Diablo ที่เป็นที่มาของคำบรรยายดั้งเดิม พวกเขาโต้แย้งว่าแร่ชนิดนี้ไม่มีอยู่ในฐานะวัสดุเอกเทศ และงานที่ตั้งอยู่บนสมมติฐานนั้นจำเป็นต้องตรวจสอบใหม่