㈠ 納米比亞金剛石/鑽石產地的地質背景及開采情況
納米比亞的金剛石/鑽石全部產自砂礦,最早於1908年(那時為德屬西南非)在Lüderitz市南部的海岸沿線發現。雖然在納米比亞的西南部、中部、東部-中部以及東北部至少有六個地區發現了大量金伯利岩,但它們全都在太古宙克拉通以外,不產金剛石/鑽石(Janse & Sheahan,1995)。真正的納米比亞金剛石/鑽石源區位於南非金伯利地區高地,那些富含金剛石/鑽石的金伯利岩岩筒是地幔岩漿的火山通道,多數年齡在晚白堊紀,約100Ma前岡瓦那超大陸解體時(Terry E. Huizing et al.,2008)。
含金剛石/鑽石的金伯利岩火山沉積物流入早期的Orange河,在過去的6500萬年裡,河流挾帶著金剛石/鑽石向西奔騰一直到南大西洋入海口,在其河道沿線就留下不同時代的金剛石/鑽石砂礦。由於過去的幾百萬年裡,海平面不斷波動,Orange河也不斷地侵蝕自身的河床;一些砂礦重新沉積,沉積物被帶到更新的礦床。較新較低的階地沉積由相對較新的還未膠結的砂礫組成;較老較高的階地沉積則完全膠結形成礫岩,其中還包含有化石,指示它們的形成年代至少在中始新世。長期的沉積、侵蝕、再沉積歷史導致了Orange河沿岸復雜的金剛石/鑽石分布模式。
Orange河含金剛石/鑽石的沉積物大多數沿納米比亞海岸分布,強勁的波浪和洋流又沿海岸將沉積物向北帶了300km越過Lüderitz市。金剛石/鑽石沿著海岸線型沉積,部分集中於海灣,稱為「袋狀灘」。在其他一些地方,120km/h的海風侵蝕著海灘沉積物,與風向平行將含金剛石/鑽石的沙礫帶到山谷里,風蝕形成了薄層的石英脈和硅質碎屑和金剛石/鑽石。最富金剛石/鑽石的風蝕谷Idatal Valley在最初的開采階段能直接在月光下由人工手選金剛石/鑽石。
圖8.43 納米比亞金剛石/鑽石的源區是南非金伯利地區高地的多個金伯利岩岩筒
Figure 8.43 Namdeb's diamonds originated at the many kimberlite pipes in the highlands around Kimberly,South Africa
據 William W. Besse ( 據 Namdeb,2007);Map by William W. Besse (after Namdeb 2007) 修改
目前,納米比亞有六個重要的金剛石/鑽石礦區(圖8.43)。其中,南自Orange 河入海口,北至Lüderitz市分布著Mining Area No.1、Bogenfels和Elizabeth Bay三個礦區,范圍從離岸5.5km延伸至內陸20~35km處。從Lüderitz市往北到26°S為Doμglas Bay礦區,范圍從大西洋低水位標志到內陸約15km處,目前已停止開采。Orange River礦區沿Orange河分布,從Mining Area No. 1礦區的邊界到內陸50km處。Atlantic 1礦區包含了大陸架中部的一部分區域,從Mining Area No. 1礦區的邊界到離岸65km處。除Atlantic 1礦區外,其他幾個礦區都位於方圓26000 km2的Sperrgebiet禁區(Kampf,2007;Huizing et al.,2008)。
Mining Area No.1礦區是世界上著名的海相沉積金剛石/鑽石砂礦,其上新世-更新世海洋礫石礦床沿海岸線分布,長約120km。其中的第四紀海洋砂礦主要沉積了新元古代(650~500Ma) Gariep構造帶的硅質碎屑岩,在不同的第四紀高海平面時期(+30m,+8m,+4m,+2m)被斜切成一系列的海蝕階地(J. Jacob et al.,2006)。在很多地方,這些基岩被沖刷出大量溝壑和凹坑,形成的凹槽促使金剛石/鑽石在晚新生代沿海沉積物里富集。自1935年開始對沿海陸地進行開采,如今多數砂礫礦床都已被采完。潮間帶和近岸潮下帶平台的砂礫也富集了豐富的金剛石/鑽石,但傳統的方法無法開采。目前,正在試驗一個在潮間帶走廊進行濕法采樣的「Jet Rig」系統,希望能成為最終開採的標准模型。
Mining Area No. 1礦區北邊與Bogenfels礦區相鄰的Chameis海灣上有幾個「袋狀灘」,這里的砂礫 (年代約為6500~3500a) 分布在濱岸海灣里,周圍是岩石海角。金剛石/鑽石出現於潛水面以下狹長帶狀的砂礫中,被沙丘和海沙深埋。這樣的地質環境,加上地處偏僻,缺乏基建,都為金剛石/鑽石開采帶來了挑戰。14個探明的「袋狀灘」里,11號灘和12號灘被認為有開發前景,當其他幾個陸上的礦區產量下降時,開采這些「袋狀灘」能帶來額外的效益。
Elizabeth Bay礦區在Lüderitz南部約25km處,金剛石/鑽石發現於古代風蝕沙里,這些沙粒比沙漠的沙粒粗很多。
Orange河的下游長期被認為是不產金剛石/鑽石的。直到20世紀60年代早期,才在那裡發現金剛石/鑽石,而直到1990年,才開始運營第一個金剛石/鑽石礦Auchas。Orange河兩側主要有兩種類型的金剛石/鑽石礦:大部分金剛石/鑽石產於河流之上40多米的年代為17~19Ma的「原Orange河」階地沉積,而年代為2~5Ma的「中Orange河」階地沉積物僅在局部地區有經濟價值。兩種類型的礦床都位於受侵蝕的基岩之上,金剛石/鑽石被困在坑槽或相似的凹陷中。Orange River礦區的開采壽命相對較短。Auchas礦在開采了10年後,於2000年停業。Daberas礦於1999年開始運營,對最大的「原Orange河」階地沉積進行開采,估計有11年的開采壽命。Sendelingsdrif礦是Namdeb擁有的第二大沖積砂礦,目前在試采階段(Kampf,2007)。
在對海洋環境進行了20年的地質研究勘探後,Atlantic 1礦區於1993年順利開始運營,包括離岸約65km,深度從90m至140m的區域。如今,將近一半的納米比亞金剛石/鑽石都產自海洋地帶,並且這個比例在未來還會上升。
納米比亞金剛石/鑽石產量的85%都是由Namdeb金剛石/鑽石公司貢獻的,該公司由納米比亞共和國政府和De Beers Centenary AG公司各佔一半股份。目前,沿海陸地的產量已逐漸減少,Namdeb公司未來的發展主要集中在沿岸近海地帶。近幾年,納米比亞金剛石/鑽石產量達到了史無前例的高峰,就歸功於De Beers Marine Namibia公司在沿岸近海地帶的開采,這是Namdeb公司的一個獨立合作夥伴(Kampf,2007)。納米比亞近10年開採的商業性礦床見表8.11(Gems & Gemology Data Depository,2011)。
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㈣ 山東鑽石的表面微形貌
與遼寧鑽石相似,山東金剛石晶體上的表面微形貌也非常豐富,常見到的有倒三角形凹坑、塑性變形滑移線、暈線、溶蝕溝、鱗片狀蝕象、網格狀蝕象、圓盤狀凹坑、蛀穴狀凹坑、疊瓦狀蝕象、圓弧形蝕象和毛玻璃化蝕象等。塑性變形與褐色金剛石密切相關,且金剛石的粒徑大小決定著其受塑性變形作用概率,在小顆粒金剛石中具塑性變形的金剛石約占總量的40%,在大顆粒金剛石中具塑性變形的金剛石約占總量的70%,平均為60%。山東金剛石有別於遼寧、湖南金剛石的主要特點之一是在一些金剛石的表面具有一層灰色的殼。這種帶殼的金剛石含量不多,且多數遭受部分溶蝕(山東省地礦局第七地質大隊,1990;黃蘊慧等,1992;池際尚等,1996;羅聲宣等,1999;王萍等,1999)。
本項目對山東408顆鑽石樣品的表面微形貌特徵進行觀測及統計。結果顯示,山東蒙陰地區鑽石晶體普遍遭熔蝕,熔蝕程度較遼寧有所增加,但相當比例的鑽石晶面比較光潔,稜角較為清晰尖銳。晶面花紋和蝕像種類按出現的頻率由多至少的順序主要有:溶蝕溝、塑性變形滑移線、倒三角形凹坑、暈線、盤狀蝕象、滴狀丘、長條狀蝕象等。
4.2.2.1 熔蝕溝
山東金剛石與遼寧的相似,會在晶體表面形成一條深深的溶蝕裂隙,裂隙裡面充填顆粒狀雜質,如圖4.36所示,一條深溝裂隙貫穿晶體表面。溶蝕溝為晶體沿線狀缺陷優先選擇性熔蝕而成。
圖4.36 熔蝕溝
(SD-701-011,寶石顯微鏡,20×)
Figure 4.36 Etched trench
(sample SD-701-011,Gem Microscope,20×)
4.2.2.2 塑性變形滑移線
在渾圓晶體的曲晶面上,當滑移線之間的晶面的相鄰各部分處於同一基準面上時,就看不見滑移線或只看到很淡的線條。在滑移線之間的曲晶面各部分處於不同的基準面上的情形下,滑移線附近生成傾斜台階時就較容易觀察。沿晶面長對角線延伸的條痕,當從晶面的一個基準面過渡到傾斜台階上時,在滑移線上強烈曲折(郭起志等,1995)。
如圖4.37所示,金剛石樣品為輕微變形的菱形十二面體,在其渾圓表面上出現兩組滑移線。一組很淡,呈平行狀密集排列;另一組非常清晰,在晶面上形成了粗糙不平的傾斜階梯,此時在滑移線附近渾圓表面出現清晰的折斷現象,曲面晶體的晶棱則呈齒狀構造。這表明樣品曾遭受過強烈的應力作用,因而發生了強烈的塑性變形。
圖4.38所示樣品為變形八面體,在晶棱兩邊的晶面上呈現出兩組滑移線,一組為清晰的直線,另一組為沿滑移線發育的三角錐狀丘或滴狀丘,呈起伏的線痕狀,稱為線狀熔蝕丘。
圖4.37 兩組滑移線
(228-SD,掃描電鏡,60×)
Figure 4.37 Two groups of slip lines
(sample 228-SD,Scanning Electron Microscope,60×)
圖4.38 兩組滑移線和線狀熔蝕丘
(230-SD,掃描電鏡,400×)
Figure 4.38 Two groups of slip lines and linear etched hillocks
(sample 230-SD,Scanning Electron Microscope,400×)
滑移線為在剪切應力作用下晶體的部分相對於另一部分沿著一定的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)產生相對位移所致,金剛石晶體的滑移面為{111}面,滑移方向為[110]方向,共有12個滑移系,故在同一晶面上常見兩組或以上滑移線,反映了晶體生長後遭受了塑性變形。
4.2.2.3 倒三角形凹坑
在熔解作用影響下,導致金剛石晶面上出現各種形態大小不等的凹坑,即侵蝕像。晶面上的倒三角形蝕象有兩種類型:負三棱錐形的三角形凹坑和平底的三角形凹坑。圖4.39所示為一個發育在晶面上的平底的三角凹坑,三角凹坑裡面又發育了另一個不完全的平底三角凹坑,裡面充填有顆粒狀雜質。圖4.40所示為倒三角凹坑群。
4.2.2.4 三角錐狀丘和滴狀丘
山東金剛石表面的丘狀體比較發育,在很多樣品表面都可觀察到,三角丘成群密集排列,錐棱尖銳,如圖4.41所示。三角錐狀丘邊棱圓化後便形成了滴狀丘,滴狀丘的排列比較分散,不像三角錐狀丘一樣緊密排列,彼此間存在空隙(圖4.42)。
4.2.2.5 疊瓦狀蝕像
疊瓦狀蝕象是由因晶面遭受侵蝕而成的三方錐疊加在一起呈疊瓦狀分布所致,如圖4.43和圖4.44所示。疊瓦狀蝕象的出現,表明晶體的晶面遭受了強烈的侵蝕作用。
圖4.39 倒三角形凹坑
(SD-HQ-5-05,微分干涉顯微鏡,100×)
Figure 4.39 Reversed triangular etched pits
(sample SD-HQ-5-05,Differential Interference Contrast Microscope,100×)
圖4.40 倒三角形凹坑
(SD-701-017,微分干涉顯微鏡,200×)
Figure 4.40 Reversed triangular etched pits
(sample SD-HQ-5-05,Differential Interference Contrast Microscope,100×)
圖4.41 成群密集排列的三角丘
(226-SD,掃描電鏡,400×)
Figure 4.41 Groups of intensive triangular etched hillocks
(sample 226-SD,Scanning Electron Microscope,400×)
圖4.42 圓化的生長丘
(228-SD,掃描電鏡,250×)
Figure 4.42 Rounded growth hillocks
(sample 228-SD,Scanning Electron Microscope,250×)
圖4.43 疊瓦狀蝕像
(240-SD,實體顯微鏡,40×)
Figure 4.43 Imbricated etched figures
(sample 240-SD,Stereomicroscope,40×)
圖4.44 疊瓦狀蝕像
(SD-241,掃描電鏡,400×)
Figure 4.44 Imbricated etched figures
(sample SD-241,Scanning Electron Microscope,400×)
4.2.2.6 盤狀蝕像
區別於其他產地,山東蒙陰金剛石表面發育大量的盤狀的蝕像是其顯著的特徵之一。這種蝕像常見於渾圓晶體的彎曲晶面上,是近圓形圓盤狀的凸起。盤狀蝕像是殘留的原始平滑晶面部分,高於溶蝕面,在蝕坑底部發育有清晰的暈線。當渾圓晶體的大部分曲晶面都被強烈溶蝕時,只在個別部分殘留有原始平滑晶面。如圖4.45和圖4.46所示,樣品表面遭受了強烈溶蝕,殘留的原始平滑晶面部分呈盤狀,高於溶蝕面,在蝕坑底部發育了清晰的暈線。
圖4.45 具有特殊「麻子」溶蝕表面的山東鑽石
(01-SD,實體顯微鏡下,10×)
Figure 4.45 Shandong diamond with special pock marks on erosion surface
(sample 01-SD,Stereomicroscope,10×)
圖4.46 樣品上強烈溶蝕後殘留盤狀的原始平滑晶面
(261-SD,掃描電鏡,60×)
Figure 4.46 Primitive smooth crystal faces left by strong erosion
(sample 261-SD,Scanning Electron Microscope,60×)
與湖南和遼寧的鑽石相比,山東鑽石的溶蝕坑及盤狀蝕像非常特徵,晶面在盤狀蝕象基礎上進一步發育了很多很小形狀不規則的溶蝕坑和殘留盤狀原始平滑晶面,形成非常復雜的「麻子」組合樣貌,盤狀蝕象的成因雖未清楚,但其形成與晶體內存在特徵的晶格缺陷有關。
4.2.2.7 似平行長條狀蝕像
山東金剛石晶體微形貌的另一特徵為,在部分山東金剛石的十二面體和八面體金剛石晶體表面上觀察到似平行長條狀蝕象,尤其是在個別淺褐色八面體金剛石晶體表面{111}面上出現的平行於[100]晶帶方向的長條狀蝕象(圖4.47)。
圖4.47 十二面體上的長條狀蝕像
(SD-701-014,左圖100×,右圖200×)
Figure 4.47 Etched strips on the surface of dodecahedral crystal
(sample SD-701-014,left 100×,right 200×)
寶石顯微鏡下觀察顯示,具有長條狀蝕象的淺褐色八面體金剛石晶體的晶形多為沿L4對稱軸壓扁的淺褐色八面體晶形。此類晶體表面一側因受強烈腐蝕而難見其晶面和蝕象,另一側受輕微腐蝕,可見一組塑性變形滑移線,其他微細特徵較難發現(圖4.48)。
圖4.48 淺褐色八面體金剛石晶體
一側受強烈腐蝕,高低不平(左);另一側晶面平坦,可見蝕象(右)
Figure 4.48 Light brown octahedral diamond crystal
with one side strongly eroded and uneven (left),and the other side flat and etched (right)
微分干涉顯微鏡下觀察顯示,該類淺褐色八面體金剛石晶體的{111}面上的蝕象豐富(圖4.49):塑性變形引起的一組疏密不等的滑移線平行於八面體晶面的一個晶棱,另一組滑移線呈交角60°或120°的平行線。相互平行、大小不等的一系列長條狀腐蝕圖像規則出露在晶體表面,蝕象呈細長的溝壑狀,內壁斜切至底部,底部平直,深淺不一;兩個正三角形蝕象交疊在一起成為一個新的三角形,其腰部可見交疊痕跡,底部與一長條狀蝕象垂直相交。此外在該{111}晶面上還出現了一些不規則的腐蝕坑點。
圖4.49 八面體 {111} 晶面上的長條狀蝕象,右上方為局部放大圖
Figure 4.49 Etched strips on the surface of {111}octahedral crystal,partial enlarged details on the upper right
圖4.50 (111)晶面上的長條狀蝕象在(001)面上的投影
Figure 4.50 Etched strips on (111) surface projected onto (001) surface
在三維立體空間中,這組互相平行、大小不等的長條狀蝕象平行於八面體金剛石的{100}面,它們在(001)面上的投影平行於[110]晶帶方向(圖4.50)。在這組互相平行的長條狀蝕象中,最長者可達270μm,最短者僅約有10μm,其寬窄范圍在1~5μm之間,長條狀蝕象彼此之間的間距在一個數量級范圍內變化。這組長條狀蝕象均與一組塑性變形滑移線相互垂直並交錯,與另一組滑移線以30°角斜交。這種蝕象在遼寧、湖南金剛石中暫未發現,且在現有的國內外文獻中也從未報道過。通過顯微紅外光譜技術對其{111}面定向切片測試,並結合相關資料分析,推測在山東個別淺褐色八面體金剛石{111}面上觀察到的、平行於[100]晶帶方向的長條狀蝕象,是由於出露到表面的氮片晶遭受優先選擇腐蝕所致(張健等,2011)。
與資料相比,本項目研究的408顆金剛石晶體表面除了出現常見的微形貌(倒三角形凹坑、塑性變形滑移線、暈線、熔蝕溝等),還首次發現了長條狀蝕象,通過進一步的研究可知,該長條狀蝕象可能為出露到表面的氮片晶遭受優先選擇腐蝕所致。