博茨瓦纳东北部铜矿、铜镍矿成矿地质特征及典型矿床实例

李 飞, 裴云婧, 李朗田, 朱永刚, 吴继兵, 苏锦善

(1.四川省地质工程勘察院,四川 成都 610072; 2.四川省地质矿产勘查开发局 四○五地质队,四川 都江堰 611830; 3.中国冶金地质总局 中南局,湖北 武汉 430081; 4.重庆华地资环科技有限公司 广西分公司，广西 南宁 530031)

博茨瓦纳共和国是南部非洲的内陆国家,全国国境皆为干燥的台地地形,南邻南非,西边为纳米比亚,东北与津巴布韦接壤,北端在维多利亚瀑布附近与赞比亚接触。博茨瓦纳有丰富的矿产资源,金刚石、铜、镍、金等矿产为该国优势矿产。采矿业、养牛业和新兴的制造业为支柱产业,该国的金刚石产量居世界前列[1]。

博茨瓦纳东北部地区由北向南分布有津巴布韦克拉通、林波波活动带和卡普瓦尔克拉通等三个重要的成矿构造单元。从成矿地质条件和已发现的矿床看,博茨瓦纳东北部太古代地层是寻找铜矿、铜镍矿的有利地区[2]。

1 区域地质背景

博茨瓦纳的大地构造位置属南非地台区,仅出露于博茨瓦纳东部地区的古老岩体构成了太古代基底,并可进一步分为三个主要的构造成矿单元,即南侧的卡普瓦尔克拉通，北西侧的津巴布韦克拉通和位于二者之间的林波波活动带(图1)。这些地体主要由花岗岩类和上地壳岩石组成,其中卡普瓦尔克拉通的形成年代较老[3-4]。

图1 博茨瓦纳大地构造略图Fig.1 Geotectonic sketch of Botswana1.克拉通内核;2.早前寒武纪绿岩带;3.早元古宙活动带;4.国界。

1.1 区域地层

区内出露的地层为太古宇基底杂岩,少部分地段被卡鲁群地层覆盖。太古宇基底的岩石类型主要是片麻状花岗岩、石英长石质片麻岩以及斑状花岗片麻岩,其中含有一套浅水、陆架型石英岩和碳酸盐岩夹层,在这套夹层中较老的岩层是变质石英岩层。时代较年轻的岩石有大理岩、钙硅酸盐、变质泥岩、角闪岩等。蛇纹岩体通常较小,它们可能与这些早期的镁铁质岩石有关,也可能是稍后的侵入体[5]。

区域地层由老到新为太古宇马齐塔玛变质沉积岩群和沙榭变质沉积岩群、太古宇和古生界下德兰士瓦超群、古生界上德兰士瓦超群、古生界奥策群、沃特堡群、帕拉佩群、奥克瓦群、古生界和中生界卡鲁超群以及第三系、第四系卡拉哈里层[6]。

1.2 区域构造

博茨瓦纳东北部构造极为复杂,大部分岩石均遭受了剪切变形、岩浆侵入和部分熔融的影响,而发生了多期次的构造运动。区内发育有大量的北西西向断层,它们与太古宙晚期的右旋横推运动密切相关。主要的构造单元包括太古宙时期卡普瓦尔克拉通、津巴布韦克拉通、林波波活动带以及元古宙时期的达玛拉带(图1)。

1.2.1卡普瓦尔克拉通

卡普瓦尔克拉通大约形成于30亿年前,主要有绿岩带沉积作用、变形作用和深成变质作用。卡普瓦尔克拉通的太古宙序列较老的部分包括片麻岩、绿岩组合和花岗岩,以及稍晚的酸性火山、花岗岩沉积岩的后造山组合。摩迪佩辉长岩体、哈博罗内和马斯特花岗岩体均侵入于卡普瓦尔克拉通。

1.2.2津巴布韦克拉通

津巴布韦克拉通是典型的形成于太古代的岩体,其构造极为复杂。其大多数岩石都遭受了剪切变形、岩浆侵入以及部分熔融过程的影响。在多期多次构造活动中,在绿岩带内形成了推覆构造,并使得地层发生倒转,在地壳及花岗质岩石中形成了线状构造和叶理构造。

津巴布韦克拉通主要由三个杂岩体组成(图2)：一是弗朗西斯敦杂岩体,包括三个被花岗岩类侵入的绿岩带;该杂岩体内发育的主要矿化为金矿化,特别是在塔蒂火山岩群的LadyMary组、Phenalonga组、Selkirk组等三套地层走向形成的北西向条带中富集。 金矿化与少量的铜、铅、锌矿化相伴生,同时还有富锑、砷、铋、钨的小矿脉。 二是莫赛策杂岩体，岩性主要为片麻岩、英云闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩、角闪岩等。该杂岩体中的矿化以铜矿化为主,其矿化的围岩主要是火山—沉积岩。三是莫特劳策杂岩体，该杂岩体中层状沉积的岩石是变质沉积岩和副片麻岩,但是变质成了高角闪岩相并且被花岗质岩类紧密地包裹，该岩体未见强烈的矿化现象。

1.2.3林波波活动带

林波波活动带大部分由片麻岩与混合岩组成。由北向南大致分为北部边缘带、中部带和南部边缘带。三个带之间的岩性、地质演化和构造走向等均有所差异。北部边缘带的岩性与津巴布韦克拉通的花岗绿岩类似,但其变质和变形更为强烈;南部边缘带主要由花岗岩、绿岩组成,其原岩来自卡普瓦尔克拉通,因此年代更老。中部带和两个边缘带不同之处是包含了大约31.5亿年前遭受变质的侵入岩。林波波活动带在博茨瓦纳境内为中部带。

博茨瓦纳境内,目前在林波波带上已经发现了塞莱比(Selebi)—皮奎(Phikwe)镍铜块状硫化物矿床。

1.3 区域岩浆岩

区域内岩浆岩较有发育,主要为太古代及中生代的岩浆岩。该区太古代的岩浆岩大部分已遭受变质,形成花岗片麻岩、变质辉长岩以及角闪岩等。中生代岩浆岩主要发育为侏罗系的火山岩,包括玄武岩和大量NWW向的辉绿岩及粗玄岩岩墙。区内及周边的铜镍矿和铜矿基本上都和角闪岩或蛇纹岩(母岩)有关[7]。

2 区域矿产特征

金刚石：博茨瓦纳境内已发现了朱瓦能、莱拉拉和奥拉帕等十大金伯利岩筒群,全国分布有200多个金伯利岩筒。博茨瓦纳的奥拉帕和朱瓦能等两个超大型金刚石矿田,其金刚石资源储量将近4亿克拉,居于世界第三位,其宝石级金刚石资源储量仅次于南非,居于世界第二位。

铜镍矿：博茨瓦纳北东和东部有马齐塔玛、赛尔科克和塞莱比—皮奎等三大铜矿、铜镍矿化密集区,这些矿集区都位于林波波活动带和津巴布韦克拉通附近。已经勘探发现的铜矿和铜镍矿床(点)多达40多个,其中皮奎大型铜镍硫化物矿床位于塞莱比—皮奎铜镍矿密集区,其铜镍矿矿石资源储量3 110万t,铜平均品位约为1.12%,镍平均品位约为1.36%,铜和镍的金属资源储量高达77万t以上。莫瓦拉大型热液型铜矿床位于马齐塔玛铜矿化密集区北侧,勘探工作已探获铜金属资源储量高达97万t。

金矿：在博茨瓦纳北东部发育的金矿类型主要是剪切带型和石英脉型金矿床,这些金矿通常与津巴布韦克拉通内的太古代绿岩带有关。已经发现了塔蒂金矿化集中区,该矿集区内的金矿床(点)多达100多处,比较典型的矿床有Monarch石英脉型金矿、MapNora剪切带型金矿等[8]。

图2 博茨瓦纳林波波活动带及津巴布韦克拉通主要岩石分布图(据J N Carney[6]修改)Fig.2 Distribution map of major rock units in Zimbabwe Craton and Limpopo mobile belts of Botswana林波波活动带：BDC.贝恩斯渡口杂岩体；PC.皮奎杂岩体；SC.赛莫拉雷杂岩体；津巴布韦克拉通：FC.弗朗西斯敦杂岩体；MoC.莫塞策杂岩体；MtC.莫特劳策杂岩体；MC.马哈拉佩杂岩体；CM.Changate-Moroka花岗岩；K.Kgarimacheng地层；Mt.迈腾威火山岩群；T.塔蒂火山岩群；V.乌姆巴火山岩群；TG.Timbale花岗岩；Ts.Tsarutsaru地层；构造命名：BSZ.布什曼剪切带；GFZ.Gobojongo断层带；LcF.莱查纳断层；LF.Lethlakane断层；Ma.Mahalapshwe断层；MD.莫拉坡断裂；MSZ.Magogaphate剪切带；PSZ.帕拉拉剪切带；SH.Shashoko间断；SHT.ShapaneHill逆断层；SSZ.桑尼赛德剪切带；ZF.Zoetfontein断层；①.津巴布韦克拉通；②.林波波活动带；③.卡普瓦尔克拉通；④.塞莱比—皮奎矿床。

博茨瓦纳境内发育有多处基性—超基性岩体,如莫洛坡农场、察邦、达代、莫迪佩等基性—超基性杂岩体(群),这些岩体为镍、铜、铂、铬等矿床的形成提供了必要的物源条件。

3 典型矿床地质特征

在博茨瓦纳北东部和东部有多个大型及超大型的铜矿、铜镍矿矿集区(图3)。但是不同的地质环境条件中所产出的矿床类型有所不同。铜矿床主要发育于太古代围岩中,主要包括四个成矿区：塔蒂(Tati)多金属成矿区(Ⅰ)、沙榭(Shashe)铜成矿带(Ⅱ)、马齐塔玛(Matsitama)铜成矿区(Ⅲ)、皮奎(Phikwe)镍铜成矿区(Ⅳ)。典型的铜矿床为莫瓦拉(Mowana)热液型铜矿。铜镍矿床主要集中在林波波活动带的中部带,最重要的矿化类型是与角闪岩和蛇纹岩相伴生的铜镍矿化,典型的矿床是皮奎—塞莱比铜镍矿床。在塔蒂片岩带也有铜镍矿床产出,典型的矿床是凤凰(Phoenix)铜镍矿。这些矿床均属于块状硫化物型铜镍矿。

3.1 莫瓦拉热液型铜矿

该铜矿位于博茨瓦纳中北部,距离弗朗西斯敦(Francistown)市区直距约为120 km。其中心地理坐标为南纬20°31′38″,东经26°35′46″,海拔1 005 m。构造上地处津巴布韦克拉通(Zimbabwe Craton),位于上述五个金属成矿区中的马齐塔玛—布什曼区(太古代)内,矿床产出于布什曼脆性—韧性剪切带之北端。

区内地层为新太古界马齐塔玛超群变质火山岩和沉积岩,南北走向,宽可达300 m,平均宽200 m,长度约为6.5 km,产状近于直立,主要岩石为块状炭质、泥质白云岩,白云岩、各种含粘土和含碳的千枚岩、片岩,这些岩石以残余变质沉积岩透镜体的形式残留于花岗片麻岩之中。矿床赋存在破碎角砾岩和层控岩石的弱蚀变产物中。

布什曼韧性剪切带,长约20 km 、宽约2.5 km,是马齐塔玛片岩带北部的一个主要破碎变形区,也是铜矿化的主要远景区。该NNE向的糜棱岩化花岗质岩石中含有残留变质沉积岩透镜体,在变质沉积岩透镜体中发育铜矿化。在晚期构造活动期间,在透镜状构造中矿化发生大规模地重新分配和集中。

图3 博茨瓦纳北东部铜镍金矿矿集区及矿(床)点分布图Fig.3 Distribution map of copper-nickel -gold depositsin northeastern Botswana

区内铜矿体呈层状,近于直立,局部向东陡倾,产状与构造破碎带总体近一致,铜矿化呈浸染状硫化物主要出现在钙质和长石质石英岩岩系中。平面上呈线性延长。矿体南北长超过4 370 m,矿体被小断层错断位移形成五个矿段。从南往北依次为伊拉兹马斯、布什曼、马盘尼盘尼、马盘尼盘尼北和马胡梅。布什曼到马胡梅的矿段连续性好。矿体垂向延伸475 m。矿化角砾岩和炭质灰岩围岩总的真厚度30～60 m。矿化角砾岩直接围岩为石榴石—绿泥石片岩、灰岩、白云岩及燧石等,再向外为花岗片麻岩和莫赛策杂岩体所围限(图4)。

莫瓦拉铜矿赋存于马齐塔玛变质沉积岩群的含碳质和泥质的变质沉积物中,顶板主要是莫塞策杂岩体叶片状花岗质岩石,底板主要是马齐塔玛群角岩,含矿主岩地层为马齐塔玛变质沉积群,其岩性为含碳的钙质岩、泥质岩以及炭质(石墨)千枚岩,硫化物矿化发育于近直立的低温热液石英—方解石脉角砾岩中,整体宽度10～80 m,赋存深度为50～150 m。其上北部和西部依次被元古宙时期卡鲁超群(Karoo Supergroup)粉砂岩、砾岩及局部冰碛岩覆盖,厚度1～90 m,南部被1～3 m厚的黑色粘土覆盖。区内的矿体形态各不相同,主要矿体有热液交代作用矿体、筒状角砾岩矿体(具有塌陷特征)以及伴生有矿化的断裂和裂隙。整个矿化带的控矿构造为平推断层构造带,而单个矿体的形态主要受褶皱、断裂和岩性之间的相互作用和联合控制。

图4 莫瓦拉铜矿平面地质略图(据L.C.Stilwell等[9]修改)Fig.4 Plane geological sketch of Mowana copper deposit1.Karroo沉积盖层;2.石榴石—角闪石、浅色矿物为主的花岗片麻岩;3.石榴石—绿泥石片岩;4.灰岩、白云岩、燧石;5.铜矿化区;6.氧化硅—方解石角砾岩;7.Bushman线性剪切带;8.剖面位置及编号。

莫瓦拉铜矿是太古代变质沉积岩中一个剪切带容矿的热液成因矿床,矿石主要为浸染状—浓密网脉状—块状铜硫化物矿石,由内向外分带为黄铜矿—斑铜矿—辉铜矿—黄铁矿。主要的矿石矿物为黄铜矿,其次为斑铜矿、闪锌矿、微量辉铜矿、黄铁矿、磁黄铁矿、方铅矿等。矿石铜含量多在2.7%～3.3%之间。靠近地表产生了辉铜矿为主的表生富集带,以及孔雀石、赤铜矿、黑铜矿、带有少量硅孔雀石氧化物的自然铜矿化带,之下为富黄铜矿带,向深部黄铜矿变贫且不均匀(图5)。与矿化相关的蚀变主要有硅化、碳酸盐化、绿泥石化、绢云母化、表生孔雀石化、赤铜矿—黑铜矿化、硅孔雀石化及蓝铜矿化。地球化学异常主要为Cu和Zn异常,次要为Ag和Ba异常。

莫瓦拉铜矿主要有以下几个特点：①赋存于长200 km、宽几百米的布什曼脆性—韧性剪切带内;②布什曼剪切带形成于变质沉积物的区域变质作用(上部绿片岩相,下部角闪岩相)之后;③布什曼带内赋存铜矿化的石英—方解石脉形成于主要的变形事件之后;④矿化作用与孔隙流体压力超过围压有关,延伸的脉状构造限制在网状脉内;⑤不具经济意义的铜矿化作用出现在脉状体的外部,呈浸染状赋存于主岩内;⑥晚期北—北东向—北东向的断层和明显的左旋位移错断了矿体。

图5 莫瓦拉铜矿A-A′剖面地质略图(据L.C.Stilwell等修改)Fig.5 Sectional geological sketch of Mowana copper deposit1.石榴石—绿泥石片岩;2.硅化—方解石角砾岩;3.铜矿体;4.石榴石—角闪石、浅色矿物为主的花岗片麻岩。

该矿探明铜矿石储量1.47亿t,铜含量为0.45%,推断的有8 670万t,平均含量0.36%。其中探明的富矿石储量1 154万t,铜含量为1.42%。

3.3 塞莱比—皮奎岩浆型铜镍矿床

皮奎矿床位于弗朗西斯敦(Francistown)市东南部,距离市区直距约为100 km。其地理坐标为南纬21°56′58″,东经27°51′18″。该矿是B.C.L.公司于1966年发现的,该公司在当地开展区域地球化学勘探时,圈定了26 km2的地球化学异常区,进一步通过勘探工作发现和评价了该矿床。

皮奎矿床产出于林波波活动带的中部,是博茨瓦纳东部最大的矿床,其成矿环境特征表现为一系列重复褶皱的副片麻岩、斜长片麻岩和角闪岩。该矿床两个矿体的角闪岩主岩在发生构造事件之前便侵位,形成了侵入岩床。在该矿床的围岩内,矿体的产状和规模主要受到有利的构造带控制,或赋存在这些有利的构造带中。

皮奎矿床发育在重复褶皱、平卧背斜构造的倒转翼,地层一般倾向为SW,塞莱比矿床和塞莱比北矿床发育于该重复褶皱的另一翼。该重复褶皱在南西侧形成了一个向斜盆地(图6)。据推测,这三个矿体的母岩(围岩)之间的角闪岩原本可能是连在一起的,由于剥蚀作用将背斜的核部剥蚀，而形成了现状的三个矿床;在褶皱作用下,产生有利的成矿条件处,所形成的硫化物矿化可能比其他部位更为富集。

图6 塞莱比—皮奎矿床成矿构造背景简图(据Gordon P L[10]修改)Fig.6 Diagram of the ore-forming tectonic backgroundof the Selebi-Phikwe deposit1.副片麻岩;2.斜长片麻岩;3.花岗片麻岩;4.碎裂岩;5.角闪岩(含矿岩系);6.角闪石片麻岩。

矿体的围岩主要为片麻岩,可分为两大类：一类是条带状片麻岩,其岩性主要包括条带状角闪片麻岩、斜长岩、灰色石英长石片麻岩,还包括少量的含磁铁矿石英岩(磁铁石英岩)和大理岩。另一类是花岗片麻岩。

皮奎矿体的矿石主要由浸染状硫化物矿石和块状硫化物矿石组成。其地表的标志为铁帽,铁帽大约深为35 m,其颜色为浅色—浅红色和黑色;地表的铁帽中铜和镍的平均品位大约为0.2%～1.5%;而深部的铁帽中铜和镍的平均含量仅为200×10-6,这是由于在地下水的淋滤作用下,铁帽中的硫化物全部被氧化淋失所致。

皮奎矿体的含矿岩系为薄的香肠状角闪岩,平均厚度11 m。矿化带在走向上的长度约2 000 m,且矿化现象仅发育于角闪岩内,角闪岩已被褶皱变形。从一些勘探竖井可发现,该矿体从地表一直延伸到地下365 m深处,然后变窄。该矿的最深见矿点位于地下780 m处。该矿体在倾向上从地面向地下延伸了1 600余米长,矿体厚度为1～38 m。矿体在平面上分为西翼和南翼两部分。西翼有同角闪岩共生的块状硫化物,产状较陡为240°∠30°～60°,延深300 m;南翼由纯硫化物组成,产状为205°∠10°(图7)。

皮奎矿体中,局部可见矿体顶板交切片麻岩条带。在交切位置普遍发育有黄铁矿条带,厚度大约为1～10 cm,这说明了后期的局部剪切作用对硫化物矿体有影响。同样,也有规模较小且有顺着片麻岩叶理侵入的块状硫化物侵入到片麻岩中[11]。

该矿床矿石矿物主要为磁黄铁矿、镍黄铁矿和黄铜矿,以及磁铁矿、白铁矿、紫硫镍铁矿等。

图7 皮奎镍铜矿床平面图和剖面图(据Gordon P L修改)Fig.7 Plan and section of Phikwe nickel-copper deposit1.矿体;2.矿体水平投影;3.勘探竖井;4.容矿角闪岩;5.勘探坑道。

在塞莱比矿床,角闪岩主岩是早期形成的紧闭等斜褶皱的一部分。塞莱比矿体由浸染状矿石、块状硫化物矿石和块状上盘或下盘的聚集物组成。矿石矿物富集于褶皱形成之前,后在构造变质作用下被改造。在早期的褶皱作用下,塞莱比矿床形成了上盘和下盘两部分矿体：一是主要在上盘富集的上部矿体(倒转),规模较大;另一个是主要在下盘富集的块状硫化物带,规模相对较小。矿石矿物与皮奎矿床类似,但是镍铜比值有所不同,除了下部矿体达到1∶1之外,其他平均大约为1∶2,镍黄铁矿同磁黄铁矿的比例为1∶10,高于皮奎的1∶13。

4 结论

(1) 博茨瓦纳位于南部非洲的中部,南部非洲的所有重大地质作用与成矿作用都对这一区域产生了深远的影响。在漫长的地质构造演化过程中,经过多期多次地质事件的叠加和改造,为铜镍、金矿等多种矿床的形成提供了有利条件。特别是在该国东北部津巴布韦克拉通绿岩带中产有的丰富的金属矿产。

(2) 太古代地层广泛出露博茨瓦纳东北部。该区域构造极为复杂,在多期构造运动中,大部分岩石都遭受了剪切变形、部分熔融以及岩浆侵入过程的影响。多期次的构造活动使得该区太古代基底形成一系列倾角较陡的NNE—NE向线性构造带。这些构造带为矿化富集提供了有利空间。

(3) 博茨瓦纳东部分布有塞莱比—皮奎、马齐塔玛、赛尔科克三大铜镍矿化密集区,这些矿集区都位于津巴布韦克拉通及林波波活动带附近,已发现的铜矿和铜镍矿床(点)多达40余个,其中皮奎大型铜镍硫化物矿床,位于塞莱比—皮奎铜镍矿密集区,为博茨瓦纳东部最大的矿床;莫瓦拉大型热液铜矿床位于马齐塔马铜矿化密集区北侧。

(4) 博茨瓦纳东北部已经发现了不同类型的铜、铜镍矿床,主要包括热液型铜矿和与基性—超基性岩有关的岩浆型铜镍矿两种类型。这些铜矿、铜镍矿矿床基本上都与变质沉积岩和变质火山岩中的角闪岩和蛇纹岩相伴生。矿床主要出现在太古代围岩中,形成了四个主要成矿区：塔蒂、马齐塔玛、皮奎、沙榭。

热液型铜矿的典型代表为产于马齐塔玛—布什曼成矿区莫瓦拉热液型铜矿。含矿地层为马齐塔玛变质沉积群,含矿岩石岩性为含碳钙质岩和炭质千枚岩,硫化物矿化带呈半直立状,发育于低温热液石英—方解石脉角砾岩中,并伴生有石英—碳酸盐—黄铁矿—黄铜矿—网状和脉状的矿体。矿区内的矿体形态各不相同,有热液交代作用矿体、筒状角砾岩矿体以及伴生有矿化的断裂和裂隙。矿石矿物主要为黄铜矿、斑铜矿及少量辉铜矿。

与基性—超基性岩有关的岩浆型铜镍矿床的典型代表是产出于皮奎镍铜成矿密集区的塞莱比—皮奎铜镍矿床。该矿床的主要矿体呈透镜状赋存于香肠状角闪岩中,矿体与角闪岩的接触关系为渐变过渡接触,在角闪岩外围的岩石为片麻岩。皮奎矿体的矿石主要以块状硫化物的形式产出,含有70%～100%的硫化物,也有半块状硫化物和浸染状的硫化物(含0～30%的硫化物)。块状硫化物矿石的主要成分为磁黄铁矿的不规则的集合体,这些集合体由自由交生的六边形和单斜晶系的磁黄铁矿组成,其中也含较少量的镍黄铁矿、黄铜矿和黄铁矿。塞莱比—皮奎矿床是与基性—超基性岩有关的构造变质改造的岩浆型Ni-Cu硫化物矿床[12]。