Evolution of the lithospheric mantle in NE Angola: implications for diamond exploration

Abstract

Angola is currently the 8th largest diamond producer in the world, but for historical reasons the subcontinental lithospheric mantle (SCLM) in the Congo-Kasai craton is still poorly studied. However, an understanding of the structure, composition and evolution of this SCLM, as well as the properties of the kimberlitic magmas themselves, is essential for the future of diamond exploration.

A detailed textural and compositional study of groundmass perovskite (CaTiO3) in 6 kimberlitic intrusions inthe Lunda Norte province (NEAngola) revealedacomplex, multi-stage process that involved mingling of compositionally diferent melts. U-Pb dating of perovskite

yielded Lower Cretaceous ages (116-133 Ma), which suggests that kimberlite magmatism resulted from reactivation of deep-seated translithospheric faults (>300km) during the break- up of Gondwana.

A layered structure of this SCLM was inferred from the characterisation of mantle xenoliths and xenocrysts sampled by the Cat115 and Catoca kimberlites. he layering is deined by two distinct garnet-peridotite suites, separated by a zone rich in low-Mg eclogite at ~150km depth. Two origins have been proposed to explain the current structure of the SCLM (stacking subduction vs plume upwelling), although more data are required to decide which is the most likely explanation.

Complex metasomatic processes have modiied the composition of an originally depleted SCLM. Inthemodel proposedinthis thesis, theshallow SCLM was irstly afectedby silicate melt metasomatism, which resulted in the introduction of garnet (± clinopyroxene). Subsequently, carbonatite-silicate melts refertilised the deep SCLM, introducing both clinopyroxene and garnet. Percolative fractional crystallisation of these melts would explain the late formation

-or cryptic metasomatism- of clinopyroxene with a carbonatitic signature, as well as the

iii

crystallisation of phlogopite, in the shallower layer of the SCLM, shortly prior to kimberlite eruption. Finally, interaction with the kimberlitic magma led to the crystallisation of a second generation of phlogopite and ine- grained pyroxene along fractures and grain boundaries.

he results presented in this thesis highlight the complexity of the processes that took place in the SCLM in NE Angola and how these may have modiied the composition of the diamond indicator minerals (ilmenite, clinopyroxene and garnet) sampled by the kimberlites. his is especially relevant in the case of ilmenite, since interaction with a kimberlitic magma may lead to misinterpretation of the diamond potential of a prospective kimberlite if textures and trace- element composition are disregarded.

Angola és actualment el vuitè major productor de diamants del món. Tanmateix, degut al seu particular context històric, el mantell litosfèric subcontinental (SCLM) del crató del Congo-Kasai encara és poc estudiat. Tot i així, comprendre'n l’estructura, la composició i l'evolució, així com les característiques dels propis magmes kimberlítics, és essencial per al futur de l’’exploració diamantífera d'aquesta zona.

Un estudi detallat de la textura i la composició de la perovskita (CaTiO3) de la matriu en 6 intrusions kimberítiques de la província de Lunda Norte (NE Angola) ha posat de manifest un procés complex que s’ha interpretat com a mingling de magmes composicionalment diferents.

La datació isotòpica d'aquest mineral mitjançant el mètode d'U-Pb ha indicat que les erupcions van tenir lloc durant el Cretaci Inferior (116-133 Ma). Aquests resultats suggereixen que el magmatisme kimberlític a Lunda Norte probablement va tenir lloc fruit de la reactivació de profundes falles translitosfèriques (>300km) durant la ruptura de Gondwana.

La caracterització de xenòlits i xenocristalls mantèl·lics transportats cap a la superfície per les kimberlites Cat115 i Catoca ha permès inferir una estratiicació del SCLM al NE d’Angola. Aquesta estratiicació ve deinida per dues poblacions de peridotites granatíferes, separades per una zona rica en eclogites amb un baix contingut de Mg, situada aproximadament a 150km de profunditat. S’han proposat dos possibles orígens per a aquesta estructura (subducció versus ascens de plomall mantèl·lic), encara que cal noves dades per determinar quin dels dos escenaris és el més probable.

Complexos processos metasomàtics han modiicat la composició d’un SCLM que ja havia estat prèviament empobrit. En el model proposat en aquesta tesi, les capes més supericials del mantell haurien estat ser inicialment afectades per un metasomatisme de tipus silicatat, del qual en resultà la incorporació de granat (± clinopiroxè). Posteriorment, magmes de

i

composició sílico-carbonatítica refertilitzarien el SCLM més profund, introduïnt tant clinopiroxè i granat. La cristal·lització fraccionada d’aquests magmes explicaria la formació tardana –o un metasomatisme críptic- de clinopiroxè de signatura carbonatítica, així com la cristal·litazió de logopita a la capa més somera del SCLM, poc abans de l’erupció kimberlítica. Finalment, la interacció amb el magma kimberlític hauria donat lloc a la cristal·lització d’una segona generació de logopita i de piroxè de gra i en fractures i vores de gra.

Els resultats presentat en aquesta tesi subratllen la complexitat dels processos que van tenir lloc al SCLM al NE d’Angola i com aquests poden haver modiicat la composició dels minerals indicadors de diamant (ilmenita, clinopiroxè i granat) transportats per les kimberlites. Aquest fet és especialment rellevant en el cas de la ilmenita, ja que la interacció amb el magma kimberlític podria donar lloc a una evaluació errònia del potencial diamantífer de la kimberlita estudiada si no es tenen en compte criteris texturals i composicionals a nivell d'elements traça.