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6
C
Carbone
Produit minéral

Les diamants sont les matériaux les plus durs connus. Ils sont employés en joaillerie ainsi que dans l’industrie mais dans ce domaine les diamants synthétiques, préparés en plus grande quantité, sont préférés.

Données physico-chimiques

Données atomiques

Voir également le chapitre carbone.

La structure cristalline est cubique, avec une maille cubique à faces centrées de paramètre a = 0,357 nm. Les atomes de carbone sont situés aux nœuds de la maille ainsi qu’au centre de 4 des 8 sites tétraédriques.

Données physiques

Masse volumique Dureté Température de fusion Température d’ébullition Conductibilité électrique Conductibilité thermique Solubilité dans l’eau
3,51 g.cm-3 10  > 3 550°C 4 827°C 10-15 S.m-1 2 300 W.m-1.K-1 insoluble

Données thermodynamiques

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : 1,9 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : 2,9 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 2,4 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 6,1 J.K-1mol-1

Données industrielles

La production de diamants synthétiques est nettement plus importante que celle de diamants naturels. En effet, en 2013, la production de diamants synthétiques a été de 4 390 millions de carats, essentiellement en Chine, celle de diamants naturels, de 125 millions de carats.

État naturel

Les diamants sont constitués de carbone à l’état natif. La teneur en diamants des mines est très faible : il faut traiter en moyenne 3 tonnes de minerai pour obtenir 1 carat soit 0,20 g et 250 t pour produire un diamant de joaillerie, taillé, de 1 carat.

Le plus gros diamant découvert est le Cullinan, en 1905, dans la mine Premier, en Afrique du Sud, avec 3 106 carats avant taille. Ces dernières années, le plus gros diamant blanc et pur, le Diamant du Centenaire, a été découvert en 1986 dans la mine de Premier, en Afrique du Sud, avec 599 ct avant taille, 273 ct après. Dans sa plus grande largeur il mesure 5 cm.

Gisements et exploitations minières :

Les diamants, formés il y a plus de 990 millions d’années dans le magma terrestre, à une profondeur de 125 à 200 km, à des températures comprises entre 900 et 1300°C et à pression très élevée (45 à 60 kbar), sont remontés rapidement à la surface de la terre lors d’éruptions volcaniques. Lors de leur remontée, les diamants n’ont pas eu le temps de se transformer en graphite, forme stable du carbone à la surface de la terre. Les diamants sont donc dans un état métastable. Les gisements se présentent sous forme de :

  • Cheminées ou « pipes » : cônes renversés s’enfonçant parfois à plusieurs milliers de mètres sous la surface du sol. La roche de ces cheminées est généralement de la kimberlite ou parfois de la lamproite (c’est le cas de la mine d’Argyle). Elle est exploitée d’abord à ciel ouvert et lorsque la profondeur atteinte devient trop importante, une exploitation souterraine prend le relai. Les cheminées volcaniques formées de kimberlite ne contiennent des diamants exploitables que dans 1 cas sur 200, en moyenne. Dans le monde, en 2018, il y a 30 mines de kimberlite en activité.
  • Dépôts alluvionnaires, dans le lit de fleuves et en bordure du littoral, provenant de l’érosion des cheminées volcaniques : c’est le cas du littoral namibien et des exploitations du Namaqualand d’Afrique du Sud.

Un cas particulier est celui du gisement de Popigaï, en Russie, qui s’est formé il y a 35 millions d’années lors de l’impact d’un météorite, la pression générée lors de l’impact ayant transformé du graphite en diamant. Situé en Sibérie, à 2 000 km au nord de Krasnoïarsk, le cratère possède un diamètre d’une centaine de km. Les diamants présents, de qualité industrielle, ont une taille de 0,5 à 2 mm. Les ressources présentes dans ce gisement seraient considérables.

Actuellement, une partie des stériles rejetés lors des exploitations antérieures est retraitée. Par exemple, autour de la mine de Kimberley, en Afrique du Sud.

Après broyage du minerai, un enrichissement est effectué à l’aide de techniques gravimétriques, par exemple avec un milieu dense de particules de ferrosilicium, les diamants (densité de 3,52) sont extraits avec le ferrosilicium qui est ensuite récupéré magnétiquement et recyclé. Les diamants, hydrophobes et oléophiles, peuvent être séparés en milieu eau-huile puis enfin repérés, un à un, par leur fluorescence sous rayonnement X.

On distingue : les gemmes (environ 20 % de la production en poids et plus de 65 % en valeur) utilisés en joaillerie, les quasi-gemmes (37 à 39 % de la production en poids) qui sont de plus en plus utilisés en joaillerie et les diamants industriels (43 % de la production en poids).

Productions

En 2017. Monde : 150,926 millions de carats pour 14 124 millions de $ US et 93,6 $US/ct, en moyenne.

en millions de carats (1 carat= 0,20  g), millions de dollars US et $US/ct
Pays Production Valeur $US/ct Pays Production Valeur $US/ct
Russie 42 616 4 112 96,5 Angola 9 439 1 105 117,0
Canada 23 234 2 060 88,7 Afrique du Sud 9 683 1 304 134,7
Botswana 22 961 3 329 145,0 Zimbabwe 2 508 175 69,9
R. D. du Congo 18 903 157 8,3 Namibie 1 948 1 011 518,7
Australie 17 135 200 11,7 Lesotho 1 126 343 304,2

On estime à plus de 400 t la masse totale des diamants extraits dans le monde depuis les origines. En 1950, la production était de 15 millions de carats/an.

  • La Russie est le premier pays producteur avec des diamants de très bonne qualité. Les mines en exploitation, propriété à 97 % de la société Alrosa, sont regroupées dans divers complexes :
    • Udachny pour les cheminées de Udachny et Zarnitsa qui a donné, en 2017, 3,821 millions de carats,
    • Nyurba pour la cheminée de Nyurba et les exploitations alluvionnaires qui a donné, en 2017, 7,713 millions de carats,
    • Mirny pour les cheminées Mir et International, les exploitations alluvionnaires ainsi que celle de rejets antérieurs avec, en 2017, 7,231 millions de carats,
    • Aikhal avec l’exploitation de 3 cheminées (Yubileynaya, Komsomolskaya et Aikhal) avec, en 2017, 13,010 millions de carats,
    • Almazy Anabara et Nizhne-Lenskoye avec, en 2017, 5,197 millions de carats.

Ces gisements, situés dans la république de Sakha, en Yakoutie, dans le Nord-Est de la Sibérie, posent de gros problèmes d’exploitation à cause de la température hivernale qui peut atteindre les moins 60°C. Alrosa, exploite également un gisement, Severalmaz, dans la région d’Arkhangelsk avec, en 2017, une production de 2,642 millions de carats.

Les diamants sont exploités par Alrosa à 53 % dans 9 mines à ciel ouvert, à 27 % dans 4 mines souterraines et à 20 % dans 14 dépôts alluvionnaires.
Les réserves prouvées et probables d’Alrosa sont, début 2018, de 653 millions de carats.

  • La production canadienne est assurée par les mines suivantes :
    • Ekati Diamond Mine, située dans les Territoires du Nord-Ouest, détenue à 88,9 % par Dominium Diamond Corporation pour le cœur de la mine. En 2017, la production a été de 5,2 millions de carats. Les réserves prouvées et probables sont de 105,4 millions de carats.
    • Diavik Diamond Mine, détenue à 60 % par Rio Tinto et 40 % par Dominium Diamond Corporation, située dans les Territoires du Nord-Ouest, exploitée souterrainement et à ciel ouvert, a produit, en 2017, 7,486 millions de carats. Les réserves prouvées et probables sont de 25,5 millions de carats.
    • La mine de Gahcho Kué, détenue par De Beers à 51 % et Mountain Province Diamonds à 49 %, également dans les Territoires du Nord-Ouest, a été ouverte en septembre 2016 pour une pleine production en mars 2017. En 2017, la production a été de 5,934 millions de carats. L’exploitation, avec 3 mines à ciel ouvert, est prévue durer 12 ans avec 4,45 millions de carats/an et une extraction totale de 53 millions de carats. Fin 2017, les réserves prouvées et probables sont de 31,5 millions de t de minerai renfermant 1,57 ct/t.
    • La mine Victor, dans l’Ontario, contrôlée par De Beers, qui a produit, en 2017, 724 000 carats, devrait fermer en 2019.
    • Le 19 octobre 2016 a été inaugurée la mine Renard, au Québec, détenue par Stornoway. En 2017, la production a été de 1,643 million de carats. Les réserves prouvées et probables sont de 30,187 millions de t de minerai renfermant 0,66 carats/t soit un total de 20 millions de carats.
  • La production du Botswana est assurée par la société Debswana (en joint venture 50/50 entre De Beers et l’État du Botswana) dans 4 mines à ciel ouvert : Orapa, Jwaneng, Letlhakane et Damtshaa, qui ont produit un total de 22,684 millions de carats. La mine de Jwaneng, est la mine la plus riche, en valeur, dans le monde. Elle est constituée de 3 cheminées exploitées à une profondeur moyenne de 400 m. En 2017, sa production a été de 11,8 millions de carats. La mine d’Orapa, à une profondeur de 250 m, a produit 10,1 millions de carats, celle de Letlhakane, 607 000 carats et celle de Damtshaa, avec 4 cheminées, satellite d’Orapa, qui redémarré en décembre 2017 avec 35 000 carats.
  • En République Démocratique du Congo, dans le Kasaï Oriental et Occidental, la production est essentiellement, à 80 %, artisanale. Les types de diamants produits au Congo sont incolores, bruns, gris, olives et toute la gamme chromatique des jaunes, cognacs et orangés.
  • La production australienne est assurée par la mine d’Argyle (Nord-Ouest du pays), découverte en 1979, mise en exploitation en 1985, propriété de Rio Tinto. La production a été de 17,135 millions de carats, en 2017. Les diamants produits (50 % de diamants industriels, 45 % de quasi-gemmes, 5 % de gemmes) sont colorés (couleur champagne et cognac et plus rare : rose). La mine, à ciel ouvert, est relayée, depuis 2013, par une exploitation souterraine. Depuis 1985, la mine a produit 800 millions de carats. Les réserves prouvées et probables sont, fin 2017, de 16 millions de t de minerai contenant 2,4 carats/t.
  • La production angolaise provient à 75 % de la mine de Catoca, détenue à 41 % par la société russe Alrosa, 41 % par la société étatique Endiama et 18 % par le groupe néerlandais LL International Holding.
  • En Afrique du Sud, la plupart de la production (à environ 95 %) est assurée par De Beers Consolidated Mines Limited détenue à 74 % par De Beers et 26 % par Ponahulo Holding, voir ci-dessous.
  • Au Zimbabwe, la production est assurée en grande partie par la société étatique Zimbabwe Consolidated Diamond (ZCDCO) qui exploite les mines de Chiadzwa et Chimanimani avec, en 2017, une production de 1,7 million de carats.
  • En Namibie, la production est d’excellente qualité, plus de 98 % des diamants sont de qualité joaillerie. La production est assurée par Namdeb, société détenue à parts égales entre De Beers et le gouvernement namibien, voir ci-dessous.

Producteurs : en 2017, répartition du marché, en volume, et, en 2016, en valeur.

Sociétés en volume en valeur Sociétés en volume en valeur
Alrosa (Russie) 26 % 29 % Dominium Diamond (Canada) 7 % 4 %
De Beers 22 % 38 % Catoca (Angola) 5 % 7 %
Rio Tinto 14 %  4 % Petra Diamond (Afrique du Sud) 3 % 3 %

Source : De Beers

  • Alrosa, avec, en 2017, une production de 39,614 millions de carats, voir ci-dessus avec la production russe. Par ailleurs détient une participation de 41 % dans la mine angolaise de Catoca.
  • De Beers :
    La société a été fondée en 1888 pour exploiter les mines sud-africaines. De Beers est contrôlé à 85 % par Anglo American et à 15 % par l’État du Botswana. Le groupe De Beers extrait des diamants naturels, fabrique des diamants synthétiques et commercialise une grande partie de la production mondiale.
    Production de diamants naturels pour un total, en 2017, de 33,454 millions de carats. En millions de carats, en 2017 :

    • Namibie : 1,805 par Namdeb, joint venture 50/50 entre De Beers et l’État Namibien, qui exploite d’une part le littoral maritime et d’autre part les mines d’Elisabeth Bay et Orange River.
    • Botswana : 22,684 par Debswana société détenue moitié-moitié par De Beers et l’État du Botswana, dans les mines de d’Orapa (10,1), Jwaneng (11,8), Letlhakane (0,607) et Damtshaa (0,035).
    • En Afrique du Sud les exploitations minières sont détenues à 74 % par De Beers et 26 % par Ponahulo Holding. La production, avec 5,208 millions de carats en 2017, a été réalisée dans les mines de Venetia (4,6) et Voorspoed (0,606). Fin 1990, arrêt de l’exploitation de la cheminée de Kimberley, appelée « Big Hole », découverte en 1871 puis la production s’est poursuivie dans des mines voisines et à partir des terrils qui ont été vendus en janvier 2016.
    • Canada : 3,757 dans les mines de Victor (0,724), en Ontario et de Gahcho Kué (3,03) dans les Territoires du Nord-Ouest. La mine de Gahcho Kué est entrée en production en 2016.

Production de diamants industriels et de matériaux ultra durs, par Element Six. Les usines de production sont situées en Irlande (Shannon), Royaume-Uni (Île de Man), Suède (Robertfors), Ukraine (Poltava), Chine (Suzhou), États-Unis (Santa Clara, en Californie) et Afrique du Sud (Springs).

  • La production de Rio Tinto avec, en 2017, 21,627 millions de carats, provient, outre de la mine d’Argyle, en Australie, voir ci-dessus, des mines de Diavik, au Canada, possédée à 60 %, avec, en 2017, une production, en propre, de 4,492 millions de carats et des réserves de 15 millions de t renfermant 2,8 carats/t. Les réserves totales prouvées et probables du groupe sont, en 2017, de 64 millions de carats.
  • Dominium Diamond, voir ci-dessus avec la production canadienne.
  • Petra Diamond, a produit en 2017, 3,794 millions de carats, principalement en Afrique du Sud avec 3 mines et en Tanzanie avec une mine.
    • En Afrique du Sud, exploite les mines de Finsch, avec 2,073 millions de carats, Cullinan, avec 1,369 million de carats et Koffiefontein, avec 53 000 carats,
    • en Tanzanie, la mine de Williamson, avec 341 000 carats.

Les réserves prouvées et probables sont de 42,92 millions de carats.

Utilisations

En 2013, à 54 % dans la joaillerie et à 46 % dans l’industrie.

Répartition de la consommation de diamants, en joaillerie, en valeur, en 2017, sur un total de 82 milliards de dollards.

États-Unis 43 % Inde 3 %
Chine 10 % États du Golfe 3 %
Japon 5 %
Source : De Beers

Utilisé dans l’industrie pour sa dureté (10, par définition, dans l’échelle de Mohs) dans les abrasifs, filières, trépans, outils de coupe… Les diamants polycristallins et impurs (carbonados et borts) sont préférés aux diamants purs car ils sont moins fragiles. Toutefois, dans ce secteur, les diamants naturels ne représentent que 1 % de la consommation. Ce sont les diamants synthétiques qui assurent 99 % de la consommation.

Un diamant parfait et pur n’absorbe pas la lumière visible et est parfaitement transparent. L’énergie de la bande interdite est de 5,45 eV, énergie nettement supérieure à l’énergie des photons visibles. Cela n’est plus le cas en présence d’impuretés ou de défauts cristallins.

La classification des diamants est réalisée en fonction de la présence d’impuretés qui absorbent ou non dans l’infrarouge. Les diamants de type I peuvent contenir jusqu’à 0,3 % d’azote, ils absorbent vers 8 µm. Ils absorbent également le rayonnement visible dans le domaine du bleu-violet et sont donc colorés en jaune. Les diamants de type II ne contiennent pas d’azote et ils n’absorbent pas le rayonnement infrarouge. Les diamants IIa ne contiennent ni azote ni bore. Les diamants IIb contiennent du bore donnant une absorption du rayonnement visible dans le rouge et donc une couleur bleu. Le diamant « Régent » est de ce type.

Le diamant de type IIb est un excellent isolant (ρ > 1014 ohm.cm) et le matériau qui possède la conductibilité thermique la plus élevée (2000 W.m-1.K-1 à 20°C).

Les diamants se transforment en graphite à l’air vers 600°C et sous vide vers 1500°C.

Diamants synthétiques

Historique

Les laboratoires de recherche ont essayé de reproduire, à l’échelle industrielle, les conditions existant dans le magma terrestre et permettant la formation de diamant. La première synthèse, gardée secrète, a été réalisée en Suède, dans le laboratoire d’Allmanna Svenska Elektriska Aktiebolaget. La première synthèse officielle et brevetée a été réalisée le 16 décembre 1954, dans les laboratoires de General Electric.

Fabrication

Les premières fabrications ont été réalisées sous haute pression et température élevée. Les diamants obtenus, dénommés HPHT, représentent actuellement la plus grande partie (99 %) de la production de diamants synthétiques. Un autre mode d’élaboration par dépôt chimique en phase vapeur (diamants CVD) commence à être industrialisé.

Diamants HPHT : un mélange de graphite et d’un métal de transition (Ni, par exemple) qui sert de solvant pour le carbone (le diamant y est moins soluble que le graphite), entouré de pyrophylitte et muni de contacts électriques permettant le chauffage par effet Joule, forme une chambre de réaction cylindrique qui est placée au centre d’une presse tétraédrique. Entre 1667 et 1728°C, à 54 kbar, le diagramme de solidification Ni-C présente une zone fondue en présence de C cristallisé sous sa forme diamant. Le taux de croissance est d’environ 1 mm/jour. La pyrophylitte (phyllosilicate de la famille du talc) présente l’avantage d’être plastique sous haute pression et donc de transmettre de façon homogène les pressions exercées.

Les diamants produits sont, en général, de couleur jaune (due à la présence d’azote) ou verte. Ils font souvent moins de 1 carat et 5 à 6 dixièmes de mm. Un diamant de 14,2 carats, de bonne qualité industrielle a été produit par De Beers.

Les producteurs de diamants synthétiques produisent aussi du nitrure de bore cubique (dont la dureté approche celle du diamant) qui demande également, pour son élaboration, de très hautes pressions. Les produits proposés vont des poudres microniques, aux grains, aux pierres et aux plaquettes polycristallines (pour outils d’usinage et pièces d’usure) obtenues par frittage de grains de diamant ou de nitrure de bore cubique.

Diamants CVD : des revêtements de matériaux par des couches minces (5 à 10 µm) de diamant, réalisées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), sont commercialisés. De même, des diamants synthétiques de bonne qualité commencent à être produits par dépôt chimique en phase vapeur. La croissance du diamant (polycristallin, nanocristallin ou monocristallin) est réalisée à partir d’un substrat de diamant que l’on fait croître. La croissance est réalisée sous pression réduite, en présence de méthane et de dihydrogène, qui, sous l’action d’une décharge électrique, donnent un plasma.

Production

En 2011. Monde : 4 380 millions de carats.

en millions de carats
Chine 4 000 Japon 34
États-Unis (2017) 125 Biélorussie 25
Russie 80 Suède 20
Afrique du Sud 60 Ukraine (2008) 4
Irlande 60 France 3

Source : USGS

La production de diamants synthétiques était de 329 millions de carats en 1990.

Producteurs :

Aux États-Unis, la production est assurée par Diamond Innovations, filiale de Hyperion, à Worthington, dans l’Ohio et par Mypodiamond à Smithfiels en Pennsylvanie.

Element Six, détenu, pour la branche abrasifs à 60 % par le groupe De Beers et 40 % par Umicore, possède des usines de production en Irlande à Shannon, au Royaume-Uni dans l’Île de Man, en Suède à Robertfors, en Ukraine à Poltava, en Chine à Suzhou, aux États-Unis à Santa Clara, en Californie et en Afrique du Sud à Springs.

Recyclage

Après utilisation, les diamants industriels peuvent être recyclés, cela a représenté 66,4 millions de carats, en 2017, aux États-Unis.

Utilisations

Consommation : en 2017, les États-Unis ont consommé 450 millions de carats.

Les diamants synthétiques sont plus adaptés à la plupart des besoins industriels que les diamants naturels : ils possèdent un meilleur pouvoir de coupe et ont une durée d’utilisation plus longue. Ils couvrent 99 % des besoins industriels mondiaux en diamant.

En 1992, plus de 250 000 ct de diamants ont été utilisés pour raboter sur 120 km, la surface (1,8 millions de m2 de béton) d’une autoroute américaine, en Floride.

Leur utilisation est limitée à 700°C (transformation en graphite) et au travail de matériaux ne réagissant pas avec le carbone. Ils sont, jusqu’à 1 200°C, remplacés par le nitrure de bore cubique.

Les dépôts de diamant sont utilisés pour usiner des alliages Al-Si, des composites Al-SiC

Bibliographie

  • J-C. Michel, « Les mutations du monde du diamant », Ecomines, BRGM, décembre 2006 et janvier 2007.
  • J-C. Michel, « Les diamants synthétiques ou de culture », Ecomines, BRGM, janvier 2008.
  • Diamants-infos, 56 rue la Fayette, 75009 Paris.
  • Diamondfacts.org.
  • Processus de Kimberley, Avenue Isiro n°8, Kinshasa-Gombe, R. D. du Congo.
  • World Diamond Council, 580 Fifth Avenue, 28 th Floor, New York, NY 10036, États Unis.
  • Diamond Producers Association.
  • De Beers, rapports annuels et informations, 17 Charterhouse Street, EC1N6RA London, Royaume Uni.
  • The global diamond industry, Bain & Company, AWDC, 2016.
  • Du diamant naturel au diamant de synthèse, Revue du Palais de la Découverte, n°245, février 1997.

 

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