博茨瓦纳奥拉帕金刚石矿床成矿地质特征

许康康，任军平，王 杰，左立波，刘晓阳，何胜飞，刘 宇，贺福清

（中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170）

0 引言

博茨瓦纳是世界上重要的金刚石产地之一，金刚石矿床主要位于东部地区，大地构造位置上属于津巴布韦克拉通与卡普瓦尔克拉通的西部（图1），主要的矿床类型分为2种：①原生金刚石矿床，是博茨瓦纳最重要的工业类型；②次生金刚石矿床，仅在Makluotsi河流域发现［1］。

博茨瓦纳大规模的金刚石勘查开始于1955年，并在1967年和1975年发现了具有巨大经济价值的奥拉帕（Orapa）岩管和朱瓦能（Jwaneng）岩管，这些岩管与莱特拉卡内（Letlhakane）及Gope等小岩管一起构成了博茨瓦纳最重要的原生金刚石矿床。博茨瓦纳1980年金刚石产量为510×104ct，1990年为1 740×104ct，1998年约为1 940×104ct，按质量计约占世界总产量的17%，按产值计约占29%，2009年以后，金刚石产量基本维持在年产量2 000×104ct左右［2－3］。目前博茨瓦纳已成为中南部非洲重要的金刚石生产地之一。

奥拉帕A／K1岩管是世界第二大金伯利岩岩管，位于博茨瓦纳东部的弗朗西斯敦市以西约240 km处，岩管地表面积约1.18km2，中心位置的地理坐标为21°18′30″S，25°22′10″E。奥拉帕金刚石矿床1967年由德比尔斯公司发现，1971年开始金刚石生产，为世界上最大的金刚石生产矿山之一，2004年的金刚石产量超过了1 690×104ct，约占世界总产量的15%［5］，以后产量逐渐稳定，2012年金刚石产量为1 110×104ct，预计该矿床的开采年限可至2063年［2－3］。

图1 奥拉帕金刚石矿床大地构造位置（据文献［4］修改）Fig.1 The geotectonic location of the Orapa diamond deposit

前人对于奥拉帕金刚石矿床进行过较为详细的研究，M.Field等对奥拉帕金伯利岩岩管的就位特征进行过具体描述［6］，随后T.M.Gernon等通过野外填图观测，进一步补充了岩管处发育的碎屑流沉积特征［7］。K.S.Viljoen等对该矿床金伯利岩内的榴辉岩型包体进行了稳定和放射性同位素研究，为判别金伯利岩的来源及演化提供了有利的证据［8］。R.Burgess等对金刚石包裹体内的矿物进行了Ar－Ar同位素分析，为金刚石的形成年龄提供了地球化学数据［9］。同时许多学者对该矿床的金刚石及其内包裹体矿物进行过碳、氮等同位素变化研究及主微量元素分析，进一步丰富了奥拉帕矿床的地质资料［10－12］。然而，对于奥拉帕金刚石矿床的各类地质资料缺乏系统的整理，对各控矿条件之间的联系研究不足。本文旨在对有关文献收集和整理，系统总结该矿床的地质特征、金伯利岩特征、包体特征以及金刚石特征，深化地质认识，为国内金刚石的勘查提供地质信息和理论依据。

1 区域地质背景

1.1 地层

奥拉帕金刚石矿床位于津巴布韦克拉通的西南部，林波波带与马刚迪（Magondi）带的交界处附近。林波波造山带呈NEE向展布，长达680km，宽约260km；马刚迪带则呈NNE向，长约250km，宽约150km（图1）。津巴布韦克拉通由若干地块组成，K.C.Condie［13］将其中前寒武系结晶岩和变质岩分为3个系，自下而上为塞巴奎系、布拉瓦约系和沙姆瓦系（表1），主要岩性为片麻岩、古老绿岩带及铁镁质－长英质火山岩和砾岩。位于南部的林波波带则被认为是克拉通活动的产物［14］，其主要分为3个带［15］：北部边缘带和南部边缘带的主要岩性为洋壳物质－麻粒岩相花岗岩；中央带则为早期的大陆边缘碎片且具有沉积盖层；马刚迪造山带则主要为一些褶皱和俯冲带，以花岗绿片岩为主，覆盖有沉积盖层［16］。

1.2 构造

关于津巴布韦克拉通的形成演化，Steven B.Shirey［18］等认为，3 200～3 700Ma期间，洋底扩张形成大量厚层科马提岩、玄武岩－科马提岩洋壳以及亏损型方辉橄榄岩，早期地壳通过洋壳俯冲的形式将大量浅层水流体带入到熔融的地幔深度，导致了地壳的分异作用，该期主要形成富硅铝质的分异克拉通核、上下地壳及克拉通脊；2 900～3 200Ma时期，克拉通通过洋壳俯冲闭合，克拉通地壳加厚，同时地幔内形成大量的橄榄岩和榴辉岩原岩及碳、氧、氢、硫等流体组分并形成金刚石。2 500Ma左右，津巴布韦克拉通与卡普瓦尔克拉通开始发生碰撞形成林波波带，至2 000Ma，林波波带已基本形成［15，19－20］，马刚迪带相对林波波带稍晚，年龄为2 060～2 030Ma［16］；2 000Ma以后，克拉通边缘俯冲造山，底部发生岩浆作用和变质作用，形成新一期的金刚石。自中元古代以后，津巴布韦克拉通地壳演化进入新的发展阶段，主要表现在：①稳定的克拉通之上沉积了较大范围的新地层；②克拉通内部发育裂陷槽，接受沉积并随后发生褶皱；③部分克拉通的活化，如中元古代中晚期（1 400～1 300Ma及1 100Ma）的基波兰（Kibaran）运动、著名的泛非构造运动（650～550Ma）及三叠纪—白垩纪（250～60 Ma）的构造活动［21］。

表1 津巴布韦太古宙克拉通表壳岩地层层序（据文献［17］修改）Table 1 Column of supercrustal rock sequence of Zimbabwe Archean craton

博茨瓦纳东部金刚石矿床的形成与克拉通的构造演化密切相关，早期克拉通亏损演化及后期俯冲、岩浆和变质等作用形成的金刚石为矿床的主要来源，后期克拉通演化形成的深大断裂则为金伯利岩的侵位提供了通道。

1.3 岩浆岩

津巴布韦克拉通岩浆活动主要包括花岗岩、基性－超基性岩、基性火山岩和金伯利岩。花岗岩主要分布在基底杂岩中，且多数包围被破坏了的太古宙地层残块，称之为“群聚岩基”。基性与超基性岩以津巴布韦大岩墙为代表，呈NNE走向，长达550 km，宽8～11km，岩性主要为蛇纹岩化辉长岩、橄榄岩、方辉橄榄岩、苏长岩等，其侵入时间为2 575Ma，为太古宙晚期［17］。基性岩流主要分布在卡鲁系中，而金伯利岩分布较为广泛。

2 矿床地质特征

2.1 岩管特征

奥帕拉金刚石矿床位于太古宙变形盆地内，岩管主要侵入到侏罗系斯托姆贝赫组玄武岩中，其上覆盖卡鲁超群，主要为泥质砂岩、冲积和风积砂岩。玄武岩是目前的开采层位，呈杏仁状。M.Field等发现奥拉帕A／K1岩管主要由南北2个岩管构成（图2a），年龄较老的北部岩管由大致呈层状的火山碎屑流金伯利岩构成，其内含有明显的排气管道［6］；南部岩管前人研究较多（图2b），T.M.Gernon描述了碎屑流的沉积序列，从上到下为：①薄层状洪水冲积沉积物，主要为火山湖相沉积的页岩、粗砂岩、砂岩及碎屑流；②不整合之下为大量分选差的火山砾凝灰岩，凝灰岩呈近似正粒序层理，且含有大量近似垂直的排气构造；③最下部为来自火山口崩塌的基底粗碎屑沉积层（图2c）［7］。

图2 奥帕拉金刚石矿床南部岩管地质简图（据文献［7，22］修改）Fig.2 Geological sketch of the south orapapipe

2.2 金伯利岩

2.2.1 金伯利岩特征

金伯利岩为超基性火成岩类，通常以岩管或岩脉的形式侵入到稳定克拉通中。由于其岩性等原因，金伯利岩通常遭受风化剥蚀而难以保存，奥帕拉岩管和坦桑尼亚的姆瓦杜伊岩管是世界上保存较为完整的岩管［6，23］。奥帕拉矿床包含约60个岩管和岩脉（最大的岩管为A／K1岩管），整体沿林波波带呈NWW向展布。其金伯利岩类型为Ⅰ型金伯利岩，蚀变强烈，整体上呈橄榄绿色且包含大量的玄武岩包体，同时还可见少量的石榴石、钛铁矿及斜方辉石等，岩石贫云母类矿物成分，Sr－Nd同位素显示为亏损地幔特征［5］。R.H.Mitchell认为Ⅰ型金伯利岩来源于软流圈地幔，而软流圈地幔在各大陆间具有相似性［24］。

2.2.2 金伯利岩年龄

奥拉帕金伯利岩侵入到侏罗纪玄武岩中，玄武岩的放射性锆石 U－Pb年龄约为93.1Ma［7，25］；锆石裂变径迹定年得到的年龄为（92±6）Ma和（87±6）Ma［26－27］，由此可见，奥帕拉金伯利岩的就位时代为晚白垩世。

2.2.3 金伯利岩包体

包体是岩浆上升过程中从深部捕获的岩体，是反映深部地质环境的“窗口”。与中南部非洲大多数金伯利岩包体不同，奥拉帕矿床主要为榴辉岩包体以及少量的矿物巨晶［28］。根据包体内石榴石的Na2O含量及单斜辉石的K2O含量将榴辉岩包体分为Ⅰ型和Ⅱ型［29］，Ⅰ型包体通常含金刚石而Ⅱ型缺失。

K.S.Viljoen等［8］通过榴辉岩包体内稳定和放射性同位素的研究发现，Ⅱ型榴辉岩包体内Sr，Sm，Nd，Pb及LREE的浓度高于Ⅰ型，Ⅱ型包体内单斜辉石具有放射性的87Sr／86Sr值、非放射性的143Nd／144Nd值和低放射性的206Pb／204Pb值，而Ⅰ型包体内单斜辉石则具有多变的非放射性和放射性87Sr／86Sr值、放射性143Nd／144Nd值及较高的放射性206Pb／204Pb值。可见Ⅰ型和Ⅱ型榴辉岩包体来自两种不同的环境。包体内氧和锶同位素组分研究证明，Ⅰ型榴辉岩包体为洋壳玄武岩与少量洋底沉积物的变质混合物，Ⅱ型则为地幔岩浆与岩石圈相互反应形成的结晶堆积岩［4，8］。

另外，McDonald等［4］首次通过对金和铂族元素的研究发现，包体内低含量的铂族元素含量（通常＜5×10－6）及左倾的球粒陨石标准化模式与大洋拉斑玄武岩和碱性玄武岩相似；据此推测榴辉岩包体为早期洋壳物质通过板块俯冲作用进入地幔而转变成榴辉岩。这与许多学者的观点相一致［30－31］。

3 金刚石

3.1 金刚石特征

奥拉帕矿床所产的金刚石中，约15%为宝石级［32］。Harris等［33］通过对1983年生产的金刚石形态和颜色进行统计发现，金刚石以多晶聚合态为主，约占60%，其次为立方体，缺少扁平状八面体；颜色以黄色为主（约占50%），其次为无色、棕色、表层微绿而整体透明的冷灰和灰色，其中无色、冷灰和灰色含量随着金刚石体积的增大而增加。另外，Harris等还发现金刚石在紫外线下具有浅蓝色荧光的特征。奥拉帕矿床中约12%的金刚石具有塑性变形特征，相对中南部非洲其他矿床含量要低［5］。

3.2 金刚石包裹体矿物特征

奥拉帕矿床金刚石按照其包裹体矿物性质可以分为橄榄岩型（P型）、榴辉岩型（E型）和二辉型（W型）［10］。其中橄榄岩型包裹体主要矿物为橄榄石和辉石，含少量的石榴石、铬铁矿和钛铁矿等；榴辉岩型主要为石榴石和单斜辉石，伴有少量柯石英、刚玉、金红石、石墨和钛铁矿等；二辉岩型则为介于两者之间的过渡类型。Gurney等［34］通过统计发现68%的包裹体为榴辉岩型，14%的为橄榄岩型，其他的18%为硫化物和二辉岩型，而Deines等［31］则认为榴辉岩型包裹体的比例要更高一些，为87%左右。

3.2.1 主量和微量元素特征

图3 奥拉帕矿床石榴石包裹体稀土元素曲线特征（据文献［10］修改）Fig.3 REE pattern of garnet inclusions from Orapa diamond deposit

橄榄岩型包裹体矿物研究可以为金刚石结晶作用期间克拉通岩石圈的形成和演化提供证据。通过研究橄榄岩型包裹体矿物主量和微量元素发现，奥拉帕矿床同世界大多数矿床具有可比性，即矿物内亏损Al2O3，CaO，K2O，Na2O和TiO2等易熔组分，富集Mg，Cr和Ni等难熔组分［35］，不同之处是更加富Fe。部分石榴石稀土元素球粒陨石标准化曲线显示LREE亏损的“原始”特征，而其平均含量同其他矿床（Jagersfontein矿床）石榴石稀土平均含量［36］相比则显示LREE富集的特征（图3）。T.Stachel等［10］将部分石榴石稀土元素呈“原始”状态，而主量元素部分亏损的现象解释为：橄榄岩型金刚石在地幔深度内形成后，又经历了一次广泛的地幔交代作用，且认为现存的橄榄岩型金刚石为该构造－热事件后的残余。

3.2.2 地质温压计

金刚石内橄榄岩型包裹体代表了金刚石形成时的环境物质，因此可以通过对包裹体的测定来还原金刚石形成的深度等条件。

T.Stachel等［10］根据不同的计算方法［37－39］对包裹体内共生矿物组合进行了温压计算，并与世界范围内金刚石矿床进行了比较（图4），其中橄榄石－石榴石平衡矿物的温度多在1 164～1 374℃之间，主要集中在1 160℃；石榴石－斜方辉石的温度多为1 009～1 163℃。石榴石－橄榄石的平衡压力多为4.1～5.2GPa，主体集中于5GPa，按照1GPa≈33.0km换算成结晶深度，奥拉帕金刚石的结晶深度为135～172km的深度，属于上地幔深度范围。另外，图中显示的40～42mW／m2之间的低热流值［40］与前人总结的金刚石形成条件相吻合［35］。

3.3 稳定同位素特征

奥拉帕矿床橄榄岩型金刚石的δ（13C）＝－5×10－3～－7×10－3（图5a），位于原始地幔的碳同位素组分含量之内（－10×10－3～5×10－3）［41］，N 的浓度较低而聚合态较高，Deines等［11］研究随着地幔深度增加，金刚石内N组分降低而聚合度增加的频率增加，进而认为橄榄岩型金刚石来源于地幔深度。

图4 奥拉帕矿床及世界范围内金刚石矿床温压分布特征对比（据文献［10］修改）Fig.4 Map showing distribution characteristics of temperature and pressure for Orapa and worldwide diamond deposits

关于榴辉岩型金刚石的来源争议较大，大多数学者认为奥拉帕矿床内的榴辉岩型金刚石部分来源于地幔，后期又经历构造－热事件的改造破坏，并且该期间形成新的榴辉岩型金刚石［10，42］。奥拉帕矿床内榴辉岩型金刚石C，N和硫化物包裹体内硫同位素与地表沉积物端元组分一致，且N的浓度值较高［11］，δ（13C）值位于－2.6×10－3～－18×10－3之间（图5b），而＜－10×10－3的δ（13C）值被认为主要来源于板块有机俯冲碳［41］，从而进一步证明了上述观点。二辉岩型δ（13C）值主要位于－15.2×10－3～－22.4×10－3之间（图5c），显示板块俯冲性质来源，N组分明显低于E型而与P型难以区分，且包裹体矿物内富集Cr，Ni组分，显示地幔来源的性质，推测该类型为介于橄榄岩型和榴辉岩型金刚石之间的过渡类型［11］。

图5 奥拉帕金刚石矿床δ（13C）同位素分布特征（据文献［11］修改）Fig.5 Map showing distribution characteristics ofδ13 C of Orapa diamond deposit a.橄榄岩型；b.榴辉岩型；c.二辉岩型

3.4 同位素年代学

奥拉帕金刚石的同位素年龄时间跨度大，R.Burgess［9］等通过Ar－Ar测年测得奥拉帕金刚石榴辉岩相单斜辉石和石榴石的年龄分为明显的2个阶段：一组为906～1 032Ma，与 Richardson等［43］测得的Sm－Nd同位素年龄一致；另一组＞2 500Ma，主要集中于2 500～3 200Ma，代表了另外较老一期的金刚石形成事件。T.Stachel等［10］将该现象解释为：太古宙时，奥拉帕地区形成早期的橄榄岩型金刚石和部分榴辉岩型金刚石；元古宙时，该区发生重要的构造－热事件，岩石圈地幔遭受交代改造作用，导致新的榴辉岩型金刚石的形成，同时破坏了早期形成的金刚石，现存的橄榄岩型金刚石为构造－热事件后的残余。

3.5 成因模式

关于金刚石的成因，早期的学者认为金刚石是金伯利岩岩浆结晶的产物，大量挥发分在深部聚集，形成高压状态，为金刚石的结晶造成有利环境。而随着研究的深入，尤其是对金刚石年龄的测定［44－45］，使得金刚石与地幔捕掳体及矿物巨晶一样为物理破碎产物的观点得到广泛的认可［41］。

由此可以总结出奥拉帕矿床的成矿模型：太古宙时期，伴随着津巴布韦克拉通的形成，形成早期的橄榄岩型金刚石和部分榴辉岩型金刚石，到元古宙中、晚期，板块运动将地壳内大量的含碳流体成分带入地幔，形成新的榴辉岩型金刚石，并对早期形成的金刚石进行破坏。大约93Ma时，地幔岩石部分熔融形成大量金伯利岩岩浆，在林波波活动带及马刚迪活动带再活化的影响下，携带大量物理破碎的金刚石及包体喷发至地表形成奥拉帕矿床。

4 找矿靶区

目前，博茨瓦纳东部地区寻找金刚石的主要技术方法为首先进行航空磁测，然后在选区内进行详细的重砂土壤采样和地面磁测［1］。航空资料显示奥拉帕地区分布着许多NW向线性构造和一个大岩墙系，航空磁测资料也显示NWW向的强烈异常［46］。另外，地震学数据显示奥拉帕地区地幔岩石圈存在一异常 P波波速异常带［10，18］。

结合前人资料［47］确定奥拉帕地区金刚石找矿的有利靶区为：津巴布韦克拉通周围的林波波活动带及马刚迪活动带内，岩石圈地幔P波波速异常且航空磁测显示NWW向异常的地区。

5 结论

津巴布韦克拉通内的奥拉帕金刚石矿床具有以下特征：

（1）金刚石的形成与津巴布韦克拉通的演化和周边活动带的再活化有关。

（2）金刚石分为3种类型：橄榄岩型、榴辉岩型及两者的过渡类型——二辉岩型。其中，榴辉岩型一部分来源于地幔，而另一部分则与板块俯冲构造－热事件有关。

（3）金伯利岩的形成年龄为93Ma左右，而金刚石的年龄分为2期：太古宙时期的橄榄岩型和部分榴辉岩型和元古宙时期的榴辉岩型金刚石。金刚石为金伯利岩侵位期间携带的上地幔物理破碎产物。

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