許康康，任軍平，王 杰，左立波，劉曉陽，何勝飛，劉 宇，賀福清

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170）

0 引言

博茨瓦納是世界上重要的金剛石產(chǎn)地之一，金剛石礦床主要位于東部地區(qū)，大地構(gòu)造位置上屬于津巴布韋克拉通與卡普瓦爾克拉通的西部（圖1），主要的礦床類型分為2種：①原生金剛石礦床，是博茨瓦納最重要的工業(yè)類型；②次生金剛石礦床，僅在Makluotsi河流域發(fā)現(xiàn)［1］。

博茨瓦納大規(guī)模的金剛石勘查開始于1955年，并在1967年和1975年發(fā)現(xiàn)了具有巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的奧拉帕（Orapa）巖管和朱瓦能（Jwaneng）巖管，這些巖管與萊特拉卡內(nèi)（Letlhakane）及Gope等小巖管一起構(gòu)成了博茨瓦納最重要的原生金剛石礦床。博茨瓦納1980年金剛石產(chǎn)量為510×104ct，1990年為1 740×104ct，1998年約為1 940×104ct，按質(zhì)量計(jì)約占世界總產(chǎn)量的17%，按產(chǎn)值計(jì)約占29%，2009年以后，金剛石產(chǎn)量基本維持在年產(chǎn)量2 000×104ct左右［2－3］。目前博茨瓦納已成為中南部非洲重要的金剛石生產(chǎn)地之一。

奧拉帕A／K1巖管是世界第二大金伯利巖巖管，位于博茨瓦納東部的弗朗西斯敦市以西約240 km處，巖管地表面積約1.18km2，中心位置的地理坐標(biāo)為21°18′30″S，25°22′10″E。奧拉帕金剛石礦床1967年由德比爾斯公司發(fā)現(xiàn)，1971年開始金剛石生產(chǎn)，為世界上最大的金剛石生產(chǎn)礦山之一，2004年的金剛石產(chǎn)量超過了1 690×104ct，約占世界總產(chǎn)量的15%［5］，以后產(chǎn)量逐漸穩(wěn)定，2012年金剛石產(chǎn)量為1 110×104ct，預(yù)計(jì)該礦床的開采年限可至2063年［2－3］。

圖1 奧拉帕金剛石礦床大地構(gòu)造位置（據(jù)文獻(xiàn)［4］修改）Fig.1 The geotectonic location of the Orapa diamond deposit

前人對(duì)于奧拉帕金剛石礦床進(jìn)行過較為詳細(xì)的研究，M.Field等對(duì)奧拉帕金伯利巖巖管的就位特征進(jìn)行過具體描述［6］，隨后T.M.Gernon等通過野外填圖觀測(cè)，進(jìn)一步補(bǔ)充了巖管處發(fā)育的碎屑流沉積特征［7］。K.S.Viljoen等對(duì)該礦床金伯利巖內(nèi)的榴輝巖型包體進(jìn)行了穩(wěn)定和放射性同位素研究，為判別金伯利巖的來源及演化提供了有利的證據(jù)［8］。R.Burgess等對(duì)金剛石包裹體內(nèi)的礦物進(jìn)行了Ar－Ar同位素分析，為金剛石的形成年齡提供了地球化學(xué)數(shù)據(jù)［9］。同時(shí)許多學(xué)者對(duì)該礦床的金剛石及其內(nèi)包裹體礦物進(jìn)行過碳、氮等同位素變化研究及主微量元素分析，進(jìn)一步豐富了奧拉帕礦床的地質(zhì)資料［10－12］。然而，對(duì)于奧拉帕金剛石礦床的各類地質(zhì)資料缺乏系統(tǒng)的整理，對(duì)各控礦條件之間的聯(lián)系研究不足。本文旨在對(duì)有關(guān)文獻(xiàn)收集和整理，系統(tǒng)總結(jié)該礦床的地質(zhì)特征、金伯利巖特征、包體特征以及金剛石特征，深化地質(zhì)認(rèn)識(shí)，為國(guó)內(nèi)金剛石的勘查提供地質(zhì)信息和理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地層

奧拉帕金剛石礦床位于津巴布韋克拉通的西南部，林波波帶與馬剛迪（Magondi）帶的交界處附近。林波波造山帶呈NEE向展布，長(zhǎng)達(dá)680km，寬約260km；馬剛迪帶則呈NNE向，長(zhǎng)約250km，寬約150km（圖1）。津巴布韋克拉通由若干地塊組成，K.C.Condie［13］將其中前寒武系結(jié)晶巖和變質(zhì)巖分為3個(gè)系，自下而上為塞巴奎系、布拉瓦約系和沙姆瓦系（表1），主要巖性為片麻巖、古老綠巖帶及鐵鎂質(zhì)－長(zhǎng)英質(zhì)火山巖和礫巖。位于南部的林波波帶則被認(rèn)為是克拉通活動(dòng)的產(chǎn)物［14］，其主要分為3個(gè)帶［15］：北部邊緣帶和南部邊緣帶的主要巖性為洋殼物質(zhì)－麻粒巖相花崗巖；中央帶則為早期的大陸邊緣碎片且具有沉積蓋層；馬剛迪造山帶則主要為一些褶皺和俯沖帶，以花崗綠片巖為主，覆蓋有沉積蓋層［16］。

1.2 構(gòu)造

關(guān)于津巴布韋克拉通的形成演化，Steven B.Shirey［18］等認(rèn)為，3 200～3 700Ma期間，洋底擴(kuò)張形成大量厚層科馬提巖、玄武巖－科馬提巖洋殼以及虧損型方輝橄欖巖，早期地殼通過洋殼俯沖的形式將大量淺層水流體帶入到熔融的地幔深度，導(dǎo)致了地殼的分異作用，該期主要形成富硅鋁質(zhì)的分異克拉通核、上下地殼及克拉通脊；2 900～3 200Ma時(shí)期，克拉通通過洋殼俯沖閉合，克拉通地殼加厚，同時(shí)地幔內(nèi)形成大量的橄欖巖和榴輝巖原巖及碳、氧、氫、硫等流體組分并形成金剛石。2 500Ma左右，津巴布韋克拉通與卡普瓦爾克拉通開始發(fā)生碰撞形成林波波帶，至2 000Ma，林波波帶已基本形成［15，19－20］，馬剛迪帶相對(duì)林波波帶稍晚，年齡為2 060～2 030Ma［16］；2 000Ma以后，克拉通邊緣俯沖造山，底部發(fā)生巖漿作用和變質(zhì)作用，形成新一期的金剛石。自中元古代以后，津巴布韋克拉通地殼演化進(jìn)入新的發(fā)展階段，主要表現(xiàn)在：①穩(wěn)定的克拉通之上沉積了較大范圍的新地層；②克拉通內(nèi)部發(fā)育裂陷槽，接受沉積并隨后發(fā)生褶皺；③部分克拉通的活化，如中元古代中晚期（1 400～1 300Ma及1 100Ma）的基波蘭（Kibaran）運(yùn)動(dòng)、著名的泛非構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（650～550Ma）及三疊紀(jì)—白堊紀(jì)（250～60 Ma）的構(gòu)造活動(dòng)［21］。

表1 津巴布韋太古宙克拉通表殼巖地層層序（據(jù)文獻(xiàn)［17］修改）Table 1 Column of supercrustal rock sequence of Zimbabwe Archean craton

博茨瓦納東部金剛石礦床的形成與克拉通的構(gòu)造演化密切相關(guān)，早期克拉通虧損演化及后期俯沖、巖漿和變質(zhì)等作用形成的金剛石為礦床的主要來源，后期克拉通演化形成的深大斷裂則為金伯利巖的侵位提供了通道。

1.3 巖漿巖

津巴布韋克拉通巖漿活動(dòng)主要包括花崗巖、基性－超基性巖、基性火山巖和金伯利巖?；◢弾r主要分布在基底雜巖中，且多數(shù)包圍被破壞了的太古宙地層殘塊，稱之為“群聚巖基”?；耘c超基性巖以津巴布韋大巖墻為代表，呈NNE走向，長(zhǎng)達(dá)550 km，寬8～11km，巖性主要為蛇紋巖化輝長(zhǎng)巖、橄欖巖、方輝橄欖巖、蘇長(zhǎng)巖等，其侵入時(shí)間為2 575Ma，為太古宙晚期［17］?；詭r流主要分布在卡魯系中，而金伯利巖分布較為廣泛。

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 巖管特征

奧帕拉金剛石礦床位于太古宙變形盆地內(nèi)，巖管主要侵入到侏羅系斯托姆貝赫組玄武巖中，其上覆蓋卡魯超群，主要為泥質(zhì)砂巖、沖積和風(fēng)積砂巖。玄武巖是目前的開采層位，呈杏仁狀。M.Field等發(fā)現(xiàn)奧拉帕A／K1巖管主要由南北2個(gè)巖管構(gòu)成（圖2a），年齡較老的北部巖管由大致呈層狀的火山碎屑流金伯利巖構(gòu)成，其內(nèi)含有明顯的排氣管道［6］；南部巖管前人研究較多（圖2b），T.M.Gernon描述了碎屑流的沉積序列，從上到下為：①薄層狀洪水沖積沉積物，主要為火山湖相沉積的頁巖、粗砂巖、砂巖及碎屑流；②不整合之下為大量分選差的火山礫凝灰?guī)r，凝灰?guī)r呈近似正粒序?qū)永恚液写罅拷拼怪钡呐艢鈽?gòu)造；③最下部為來自火山口崩塌的基底粗碎屑沉積層（圖2c）［7］。

圖2 奧帕拉金剛石礦床南部巖管地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)文獻(xiàn)［7，22］修改）Fig.2 Geological sketch of the south orapapipe

2.2 金伯利巖

2.2.1 金伯利巖特征

金伯利巖為超基性火成巖類，通常以巖管或巖脈的形式侵入到穩(wěn)定克拉通中。由于其巖性等原因，金伯利巖通常遭受風(fēng)化剝蝕而難以保存，奧帕拉巖管和坦桑尼亞的姆瓦杜伊巖管是世界上保存較為完整的巖管［6，23］。奧帕拉礦床包含約60個(gè)巖管和巖脈（最大的巖管為A／K1巖管），整體沿林波波帶呈NWW向展布。其金伯利巖類型為Ⅰ型金伯利巖，蝕變強(qiáng)烈，整體上呈橄欖綠色且包含大量的玄武巖包體，同時(shí)還可見少量的石榴石、鈦鐵礦及斜方輝石等，巖石貧云母類礦物成分，Sr－Nd同位素顯示為虧損地幔特征［5］。R.H.Mitchell認(rèn)為Ⅰ型金伯利巖來源于軟流圈地幔，而軟流圈地幔在各大陸間具有相似性［24］。

2.2.2 金伯利巖年齡

奧拉帕金伯利巖侵入到侏羅紀(jì)玄武巖中，玄武巖的放射性鋯石 U－Pb年齡約為93.1Ma［7，25］；鋯石裂變徑跡定年得到的年齡為（92±6）Ma和（87±6）Ma［26－27］，由此可見，奧帕拉金伯利巖的就位時(shí)代為晚白堊世。

2.2.3 金伯利巖包體

包體是巖漿上升過程中從深部捕獲的巖體，是反映深部地質(zhì)環(huán)境的“窗口”。與中南部非洲大多數(shù)金伯利巖包體不同，奧拉帕礦床主要為榴輝巖包體以及少量的礦物巨晶［28］。根據(jù)包體內(nèi)石榴石的Na2O含量及單斜輝石的K2O含量將榴輝巖包體分為Ⅰ型和Ⅱ型［29］，Ⅰ型包體通常含金剛石而Ⅱ型缺失。

K.S.Viljoen等［8］通過榴輝巖包體內(nèi)穩(wěn)定和放射性同位素的研究發(fā)現(xiàn)，Ⅱ型榴輝巖包體內(nèi)Sr，Sm，Nd，Pb及LREE的濃度高于Ⅰ型，Ⅱ型包體內(nèi)單斜輝石具有放射性的87Sr／86Sr值、非放射性的143Nd／144Nd值和低放射性的206Pb／204Pb值，而Ⅰ型包體內(nèi)單斜輝石則具有多變的非放射性和放射性87Sr／86Sr值、放射性143Nd／144Nd值及較高的放射性206Pb／204Pb值?？梢姠裥秃廷蛐土褫x巖包體來自兩種不同的環(huán)境。包體內(nèi)氧和鍶同位素組分研究證明，Ⅰ型榴輝巖包體為洋殼玄武巖與少量洋底沉積物的變質(zhì)混合物，Ⅱ型則為地幔巖漿與巖石圈相互反應(yīng)形成的結(jié)晶堆積巖［4，8］。

另外，McDonald等［4］首次通過對(duì)金和鉑族元素的研究發(fā)現(xiàn)，包體內(nèi)低含量的鉑族元素含量（通常＜5×10－6）及左傾的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式與大洋拉斑玄武巖和堿性玄武巖相似；據(jù)此推測(cè)榴輝巖包體為早期洋殼物質(zhì)通過板塊俯沖作用進(jìn)入地幔而轉(zhuǎn)變成榴輝巖。這與許多學(xué)者的觀點(diǎn)相一致［30－31］。

3 金剛石

3.1 金剛石特征

奧拉帕礦床所產(chǎn)的金剛石中，約15%為寶石級(jí)［32］。Harris等［33］通過對(duì)1983年生產(chǎn)的金剛石形態(tài)和顏色進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，金剛石以多晶聚合態(tài)為主，約占60%，其次為立方體，缺少扁平狀八面體；顏色以黃色為主（約占50%），其次為無色、棕色、表層微綠而整體透明的冷灰和灰色，其中無色、冷灰和灰色含量隨著金剛石體積的增大而增加。另外，Harris等還發(fā)現(xiàn)金剛石在紫外線下具有淺藍(lán)色熒光的特征。奧拉帕礦床中約12%的金剛石具有塑性變形特征，相對(duì)中南部非洲其他礦床含量要低［5］。

3.2 金剛石包裹體礦物特征

奧拉帕礦床金剛石按照其包裹體礦物性質(zhì)可以分為橄欖巖型（P型）、榴輝巖型（E型）和二輝型（W型）［10］。其中橄欖巖型包裹體主要礦物為橄欖石和輝石，含少量的石榴石、鉻鐵礦和鈦鐵礦等；榴輝巖型主要為石榴石和單斜輝石，伴有少量柯石英、剛玉、金紅石、石墨和鈦鐵礦等；二輝巖型則為介于兩者之間的過渡類型。Gurney等［34］通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)68%的包裹體為榴輝巖型，14%的為橄欖巖型，其他的18%為硫化物和二輝巖型，而Deines等［31］則認(rèn)為榴輝巖型包裹體的比例要更高一些，為87%左右。

3.2.1 主量和微量元素特征

圖3 奧拉帕礦床石榴石包裹體稀土元素曲線特征（據(jù)文獻(xiàn)［10］修改）Fig.3 REE pattern of garnet inclusions from Orapa diamond deposit

橄欖巖型包裹體礦物研究可以為金剛石結(jié)晶作用期間克拉通巖石圈的形成和演化提供證據(jù)。通過研究橄欖巖型包裹體礦物主量和微量元素發(fā)現(xiàn)，奧拉帕礦床同世界大多數(shù)礦床具有可比性，即礦物內(nèi)虧損Al2O3，CaO，K2O，Na2O和TiO2等易熔組分，富集Mg，Cr和Ni等難熔組分［35］，不同之處是更加富Fe。部分石榴石稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線顯示LREE虧損的“原始”特征，而其平均含量同其他礦床（Jagersfontein礦床）石榴石稀土平均含量［36］相比則顯示LREE富集的特征（圖3）。T.Stachel等［10］將部分石榴石稀土元素呈“原始”狀態(tài)，而主量元素部分虧損的現(xiàn)象解釋為：橄欖巖型金剛石在地幔深度內(nèi)形成后，又經(jīng)歷了一次廣泛的地幔交代作用，且認(rèn)為現(xiàn)存的橄欖巖型金剛石為該構(gòu)造－熱事件后的殘余。

3.2.2 地質(zhì)溫壓計(jì)

金剛石內(nèi)橄欖巖型包裹體代表了金剛石形成時(shí)的環(huán)境物質(zhì)，因此可以通過對(duì)包裹體的測(cè)定來還原金剛石形成的深度等條件。

T.Stachel等［10］根據(jù)不同的計(jì)算方法［37－39］對(duì)包裹體內(nèi)共生礦物組合進(jìn)行了溫壓計(jì)算，并與世界范圍內(nèi)金剛石礦床進(jìn)行了比較（圖4），其中橄欖石－石榴石平衡礦物的溫度多在1 164～1 374℃之間，主要集中在1 160℃；石榴石－斜方輝石的溫度多為1 009～1 163℃。石榴石－橄欖石的平衡壓力多為4.1～5.2GPa，主體集中于5GPa，按照1GPa≈33.0km換算成結(jié)晶深度，奧拉帕金剛石的結(jié)晶深度為135～172km的深度，屬于上地幔深度范圍。另外，圖中顯示的40～42mW／m2之間的低熱流值［40］與前人總結(jié)的金剛石形成條件相吻合［35］。

3.3 穩(wěn)定同位素特征

奧拉帕礦床橄欖巖型金剛石的δ（13C）＝－5×10－3～－7×10－3（圖5a），位于原始地幔的碳同位素組分含量之內(nèi)（－10×10－3～5×10－3）［41］，N 的濃度較低而聚合態(tài)較高，Deines等［11］研究隨著地幔深度增加，金剛石內(nèi)N組分降低而聚合度增加的頻率增加，進(jìn)而認(rèn)為橄欖巖型金剛石來源于地幔深度。

圖4 奧拉帕礦床及世界范圍內(nèi)金剛石礦床溫壓分布特征對(duì)比（據(jù)文獻(xiàn)［10］修改）Fig.4 Map showing distribution characteristics of temperature and pressure for Orapa and worldwide diamond deposits

關(guān)于榴輝巖型金剛石的來源爭(zhēng)議較大，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為奧拉帕礦床內(nèi)的榴輝巖型金剛石部分來源于地幔，后期又經(jīng)歷構(gòu)造－熱事件的改造破壞，并且該期間形成新的榴輝巖型金剛石［10，42］。奧拉帕礦床內(nèi)榴輝巖型金剛石C，N和硫化物包裹體內(nèi)硫同位素與地表沉積物端元組分一致，且N的濃度值較高［11］，δ（13C）值位于－2.6×10－3～－18×10－3之間（圖5b），而＜－10×10－3的δ（13C）值被認(rèn)為主要來源于板塊有機(jī)俯沖碳［41］，從而進(jìn)一步證明了上述觀點(diǎn)。二輝巖型δ（13C）值主要位于－15.2×10－3～－22.4×10－3之間（圖5c），顯示板塊俯沖性質(zhì)來源，N組分明顯低于E型而與P型難以區(qū)分，且包裹體礦物內(nèi)富集Cr，Ni組分，顯示地幔來源的性質(zhì)，推測(cè)該類型為介于橄欖巖型和榴輝巖型金剛石之間的過渡類型［11］。

圖5 奧拉帕金剛石礦床δ（13C）同位素分布特征（據(jù)文獻(xiàn)［11］修改）Fig.5 Map showing distribution characteristics ofδ13 C of Orapa diamond deposit a.橄欖巖型；b.榴輝巖型；c.二輝巖型

3.4 同位素年代學(xué)

奧拉帕金剛石的同位素年齡時(shí)間跨度大，R.Burgess［9］等通過Ar－Ar測(cè)年測(cè)得奧拉帕金剛石榴輝巖相單斜輝石和石榴石的年齡分為明顯的2個(gè)階段：一組為906～1 032Ma，與 Richardson等［43］測(cè)得的Sm－Nd同位素年齡一致；另一組＞2 500Ma，主要集中于2 500～3 200Ma，代表了另外較老一期的金剛石形成事件。T.Stachel等［10］將該現(xiàn)象解釋為：太古宙時(shí)，奧拉帕地區(qū)形成早期的橄欖巖型金剛石和部分榴輝巖型金剛石；元古宙時(shí)，該區(qū)發(fā)生重要的構(gòu)造－熱事件，巖石圈地幔遭受交代改造作用，導(dǎo)致新的榴輝巖型金剛石的形成，同時(shí)破壞了早期形成的金剛石，現(xiàn)存的橄欖巖型金剛石為構(gòu)造－熱事件后的殘余。

3.5 成因模式

關(guān)于金剛石的成因，早期的學(xué)者認(rèn)為金剛石是金伯利巖巖漿結(jié)晶的產(chǎn)物，大量揮發(fā)分在深部聚集，形成高壓狀態(tài)，為金剛石的結(jié)晶造成有利環(huán)境。而隨著研究的深入，尤其是對(duì)金剛石年齡的測(cè)定［44－45］，使得金剛石與地幔捕擄體及礦物巨晶一樣為物理破碎產(chǎn)物的觀點(diǎn)得到廣泛的認(rèn)可［41］。

由此可以總結(jié)出奧拉帕礦床的成礦模型：太古宙時(shí)期，伴隨著津巴布韋克拉通的形成，形成早期的橄欖巖型金剛石和部分榴輝巖型金剛石，到元古宙中、晚期，板塊運(yùn)動(dòng)將地殼內(nèi)大量的含碳流體成分帶入地幔，形成新的榴輝巖型金剛石，并對(duì)早期形成的金剛石進(jìn)行破壞。大約93Ma時(shí)，地幔巖石部分熔融形成大量金伯利巖巖漿，在林波波活動(dòng)帶及馬剛迪活動(dòng)帶再活化的影響下，攜帶大量物理破碎的金剛石及包體噴發(fā)至地表形成奧拉帕礦床。

4 找礦靶區(qū)

目前，博茨瓦納東部地區(qū)尋找金剛石的主要技術(shù)方法為首先進(jìn)行航空磁測(cè)，然后在選區(qū)內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)的重砂土壤采樣和地面磁測(cè)［1］。航空資料顯示奧拉帕地區(qū)分布著許多NW向線性構(gòu)造和一個(gè)大巖墻系，航空磁測(cè)資料也顯示NWW向的強(qiáng)烈異常［46］。另外，地震學(xué)數(shù)據(jù)顯示奧拉帕地區(qū)地幔巖石圈存在一異常 P波波速異常帶［10，18］。

結(jié)合前人資料［47］確定奧拉帕地區(qū)金剛石找礦的有利靶區(qū)為：津巴布韋克拉通周圍的林波波活動(dòng)帶及馬剛迪活動(dòng)帶內(nèi)，巖石圈地幔P波波速異常且航空磁測(cè)顯示NWW向異常的地區(qū)。

5 結(jié)論

津巴布韋克拉通內(nèi)的奧拉帕金剛石礦床具有以下特征：

（1）金剛石的形成與津巴布韋克拉通的演化和周邊活動(dòng)帶的再活化有關(guān)。

（2）金剛石分為3種類型：橄欖巖型、榴輝巖型及兩者的過渡類型——二輝巖型。其中，榴輝巖型一部分來源于地幔，而另一部分則與板塊俯沖構(gòu)造－熱事件有關(guān)。

（3）金伯利巖的形成年齡為93Ma左右，而金剛石的年齡分為2期：太古宙時(shí)期的橄欖巖型和部分榴輝巖型和元古宙時(shí)期的榴輝巖型金剛石。金剛石為金伯利巖侵位期間攜帶的上地幔物理破碎產(chǎn)物。

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