莫桑比克Moatize盆地MdR煤礦地質(zhì)特征分析

龍陸軍

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

莫桑比克共和國位于非洲東南部。南鄰南非、斯威士蘭，西界津巴布韋、贊比亞、馬拉維，北接坦桑尼亞，東瀕印度洋，隔莫桑比克海峽與馬達(dá)加斯加相望[1-3]。

莫桑比克屬于高原地區(qū)其中山地約占全國面積五分之三，其余為平原。森林約占領(lǐng)土的四分之一。地勢從西北至東南大致分為三級臺階：西北部是高原山地，平均海拔500～1 000m，其中賓加山高達(dá)2 436m，為全國最高點(diǎn)；中部為臺地，高度為200～500m，有島山散布其間；東南部沿海為平原，平均海拔100m，呈帶狀分布，北窄南寬，是非洲最大平原之一。河流眾多，贊比西、林波波等大河均自西向東注入印度洋[4-7]。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地層

非洲撒哈拉的大部分煤礦賦存于Karoo超群含煤巖系的沉積巖中[8-9]。在南非Karoo超群由上而下可分為Dwyka、Ecca、Beaufort和Stormberg等四個(gè)組。

非洲中南部的Karoo盆地(圖1)是在超大陸聚合和裂解的一級旋回中演化的，其受兩種不同構(gòu)造體制的影響。南非Karoo盆地的主要外緣是一個(gè)擠壓性質(zhì)的弧后前陸盆地，Karoo盆地是一個(gè)伸展裂谷盆地，形成于克拉通內(nèi)部或者克拉通之間，以及岡瓦納大陸南緣和北緣伸展構(gòu)造相關(guān)的地塹或半地塹中。非洲中南部(包括莫桑比克)的這些與裂谷相關(guān)的盆地在構(gòu)造上比南非的前陸相關(guān)盆地更為復(fù)雜[10-12]。

圖1 非洲中南部Karoo盆地分布Figure 1 Distribution of Karoo basins in central-south Africa

Karoo地層序列在裂谷盆地內(nèi)的表現(xiàn)為五個(gè)沉積層序，每個(gè)層序的底部都有一個(gè)粗粒砂巖或紅色砂巖類型。坦桑尼亞西南部的Ruhuhu盆地便是這種沉積序列的最好例證。

疊加構(gòu)造的控制作用在盆地演化、氣候波動(dòng)會(huì)保留在地層記錄的痕跡中，Ruhuhu盆地巖性顯示了從晚石炭世—早二疊世期間氣候由寒冷、半干旱氣候條件轉(zhuǎn)變?yōu)槿B紀(jì)和侏羅紀(jì)時(shí)期的溫暖氣候，并最終因受降水波動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈难谉釟夂虻淖C據(jù)。

通過對這些盆地中孢子、花粉分析表明，煤形成于兩個(gè)不同的時(shí)期，一個(gè)是在西蘇里亞時(shí)代(artinskiian - kungurian)，另一個(gè)是在瓜達(dá)魯皮亞時(shí)代底部的Roadian階段。

1.2 區(qū)域構(gòu)造和巖漿巖

中生代的侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)時(shí)期由于地殼垂直運(yùn)動(dòng)與岡瓦納的裂解有關(guān)，包括非洲板塊從東部岡瓦納的分離，形成了各種裂谷(地塹、半地塹和地壘)。這一區(qū)域被新生代的地殼穹窿、東非裂谷系相關(guān)的裂谷和火山活動(dòng)所覆蓋。并存在兩個(gè)快速冷卻和剝露階段，第一個(gè)階段，在中—上三疊統(tǒng)時(shí)期的240～230 Ma，剝露程度達(dá)2 500～3 000 m；第二階段為中新世晚期的6 Ma以后，剝露程度達(dá)1 000～1 500 m。

由于長期的伸展運(yùn)動(dòng)史和復(fù)雜的構(gòu)造，大部分地層及煤層都普遍呈傾斜狀態(tài)。贊比西盆地復(fù)雜的構(gòu)造史產(chǎn)生大量的次級盆地，導(dǎo)致了太特省的煤田存在不同程度的地層剝離，在侏羅紀(jì)時(shí)期的輝綠巖以巖墻和巖席形式的侵入，以及晚白堊世巖漿巖侵入。斷層的位移從幾米到幾百米不等，輕微褶皺作用發(fā)生的機(jī)制與斷層拖拽有關(guān)，而不是與任何褶皺有關(guān)擠壓應(yīng)力相關(guān)。

太特省大部分煤田都受到侏羅系輝綠巖侵入的影響，而這些侵入巖可能是對煤田最具破壞性的一個(gè)方面。輝綠巖形成了薄的垂直巖墻和厚的可達(dá)120m平行層理的巖席。輝綠巖侵入還導(dǎo)致大量煤被燃燒或轉(zhuǎn)化為低揮發(fā)性貧煙煤或半無煙煤。輝綠巖侵入也可能是沼氣和水聚積的原因。

輝綠巖侵入?yún)^(qū)及各次級盆地的邊界斷裂附近，地層和煤層內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，地層產(chǎn)狀傾角可達(dá)70°。

1.3 莫桑比克Karoo超群地質(zhì)特征

莫桑比克的Karoo盆地是上述非洲中南部與裂谷相關(guān)的盆地網(wǎng)的一部分。莫桑比克大部分含煤的Karoo超群等礦床位于東西向構(gòu)造控制的盆地，統(tǒng)稱為贊比西主盆地。該盆地下伏為前寒武紀(jì)基底，盆地構(gòu)造不對稱，以斷裂為界，有多個(gè)傾斜塊體，沉積層序可達(dá)3 000m以上。

贊比西盆地位于太特西部，沿贊比西河展布大部在莫桑比克境內(nèi)，少部在津巴布韋(Cabraba盆地)。地層自上而下由Kalahair超群、Karoo超群和前寒武系基底構(gòu)成。地層層序如下：

Kalahair超群：白堊系—上新統(tǒng)。

Karoo超群：侏羅系，巴托卡玄武巖，厚300m。

三疊系：福里斯特砂巖，厚80m。斯底坡斯勒坡砂礫巖，厚200m。

下二疊統(tǒng)：上部為萬基煤系，厚100～300m，中部為砂巖夾煤層，下部為礫巖。

上石炭統(tǒng)：冰磧巖。

寒武紀(jì)：變質(zhì)巖。

贊比西河盆地的主盆地可以進(jìn)一步劃分為若干次級盆地(大部分為以斷層為界的地塹和半地塹)，這些次級盆地由于侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)的伸展構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和隨后的侵蝕而分離，但它們很可能最初是更大的相互連接的贊比西河盆地的一部分。各個(gè)次盆地主要邊界斷裂的位置受前寒武紀(jì)主要構(gòu)造的強(qiáng)烈控制。

從圖2可以明顯看出，太特省的各個(gè)Karoo老盆地的面積超過350km的區(qū)域，從西部的Cahora Bassa湖到東部馬拉維邊界。從西到東可分為7個(gè)子盆地，這些子盆地被稱為Chicoa-Mecucoe(包括Mucanha-Vuzi部分)、Sanangoe-Mefidezi、Moatize(或Moatize- benga)、Muarazi和Minjova亞盆地，以及Ncondezi和Mutarara的西北和東南延伸。

圖2 贊比西河流域中部的次級盆地地質(zhì)圖Figure 2 Secondary basin geological map of central Zambezi River valley

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 礦區(qū)地層

MdR煤礦位于贊比西河盆地Moatize子盆地中，距離Tete省省會(huì)東北10km處。它是北西-南東走向的地塹盆地，長約20km，寬7km，與贊比西河流拓寬區(qū)域相連。至少存在兩期正斷層活動(dòng)。MdR煤礦面積3 964.55hm2。

MdR煤礦的Karoo超群中存在四個(gè)主要的地層單元。從下往上，依次被劃分為Vuzi組、Moatize組、Matinde組和Cadzi組。這些Karoo超群沉積巖不整合地覆蓋在由元古代交代沉積巖組成的基底上，基底被Tete雜巖體的鎂質(zhì)巖侵入。

1)基底。贊比西河盆地的結(jié)晶基底是由Zambezi活動(dòng)帶的大量的前寒武紀(jì)巖石形成的，該活動(dòng)帶為一個(gè)造山帶，把津巴布韋克拉頓和贊比亞克拉頓分開。在太特地區(qū)，基底通常由Tete雜巖的巖性組成，Tete雜巖是一種變質(zhì)的層狀超基性-基性雜巖，主要由蛇紋巖、變質(zhì)橄欖巖、變質(zhì)輝石巖和變質(zhì)輝長巖組成，伴生角閃巖和斜長巖。

通過示范區(qū)建設(shè)，促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)向“標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、規(guī)?；?、集約化、輕簡化”發(fā)展，加快我縣馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐，提高農(nóng)民種植馬鈴薯積極性。并進(jìn)一步帶動(dòng)周邊地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)水平的提高，起到科技示范和輻射帶動(dòng)作用，對促進(jìn)特色現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)科學(xué)發(fā)展，推動(dòng)地方特色農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和農(nóng)民增收，推動(dòng)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

2) Vuzi組。與南非主Karoo盆地一樣，莫桑比克裂谷盆地的沉積開始于冰川作用來源的沉積巖，相當(dāng)于南非主Karoo盆地的Dwyka組。在大多數(shù)情況下，裂谷作用處于初期階段的選擇性侵蝕主導(dǎo)了構(gòu)造作用的影響。

Vuzi組沿著Cahora Bassa湖北緣以及Moatize組和Ncondezi組的一些邊界區(qū)域分布，露頭為孤立的透鏡狀。地層單元的空間變化很大，從0m到最充分發(fā)育時(shí)超過300m。

Vuzi組露頭出露較好的地方通常分布在古河谷，由混雜陸源沉積巖、礫巖、砂巖、粉砂巖和稀有煤組成。在太特地區(qū)的鉆孔和露頭資料表明，該沉積單元厚度可達(dá)300m，可能沉積于Tete斜長巖復(fù)合基底Sanangoe剪切帶的前期風(fēng)化作用形成的冰川沖刷加深的先存河谷中。

Vuzi組一般由弱分選、基質(zhì)支撐的大顆粒的混雜陸源沉積巖、礫巖粗粒砂巖和細(xì)碎屑巖組成，向上依次為含碳質(zhì)細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖和少量的煤。這些都?xì)w因于冰川沉積作用，例如形成冰磧物、冰川沖積扇和冰川湖。

Vuzi組在區(qū)域上覆有一系列粗粒砂巖夾層、混雜陸源沉積巖和薄煤層單元。這樣的演替序列是由于粗粒沖積扇和辮狀扇三角洲進(jìn)積到裂谷湖，由冰川融化的淡水填充。在這些沖積扇和辮狀扇三角洲臺地上形成的濱線煤層是上覆Moatize組的基底的標(biāo)志。

3)Moatize組。Moatize組不整合地覆蓋在元古代基底或Vuzi組上，含有主要的具有重大經(jīng)濟(jì)意義的煤炭礦床。

在Moatize次級煤田盆地中，含煤的Moatize組的厚度為260～400 m，通常包含6個(gè)主要煤層(或煤帶)。由于Moatize盆地煤炭勘查的歷史優(yōu)勢，該煤層地層學(xué)已成為比較和對比其他次級盆地煤序的標(biāo)準(zhǔn)。在Moatize次級盆地中發(fā)現(xiàn)了6個(gè)煤層(或煤帶)，從底部開始，向上依次被稱為2煤層、3煤層、5煤層、7煤層、9煤層和10煤層。Moatize次級盆地煤田的煤層一般可細(xì)分為兩種主要類型，即賦存于厚層狀含碳的細(xì)粒砂巖沉積單元中的煤層(如2煤層和3煤層)以及那些上下被砂巖包裹的煤層(例如7、9和10煤層)。目前Moatize次級煤田盆地大部分工作的主要目的層為3煤層，其厚度超過50 m。

4)Matinde組。Matinde組不整合地覆蓋在Moatize組之上，是保存在Moatize次級盆地上的最上面的Karro單元。該地層一般由交錯(cuò)層狀粗粒砂巖、粉砂巖和泥巖組成，煤層發(fā)育程度不一，可解釋為沉積于河流沉積環(huán)境。該套地層厚為10～100m。

2.2 礦區(qū)構(gòu)造與巖漿巖

MdR煤礦內(nèi)Karoo群沉積地層的層理傾向從南南東8°～12°變化到斷層帶附近的22°左右，這是由于斷層傾斜作用造成的。在Murrongoze河的河段可以看到許多斷層，但基于巖心資料表明斷層傾角為75°～85°。目前至少存在兩期正斷層作用導(dǎo)致了礦區(qū)屬性被分割成許多離散的斷夾塊。正是這些節(jié)理和斷層組合的共軛性質(zhì)，形成了MdR煤礦內(nèi)地塊高度切割的斷塊體。

1242L礦區(qū)的地塹構(gòu)造的主要邊界斷裂也是MdR煤礦內(nèi)兩條斷裂的北延。MdR煤礦節(jié)理的走向三個(gè)主要方向的應(yīng)力，即北東-南西、北西-南東和東-西方向。

正是這些節(jié)理和斷層組合的共軛性質(zhì)，形成了MdR煤礦內(nèi)地塊高度切割的斷塊體。礦區(qū)地表的傾角的變化觀察，在侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)和中新世伸展期可能發(fā)生了塊體旋轉(zhuǎn)。

在MdR煤礦的地表記錄了少量的火成巖侵入，該項(xiàng)目中僅僅只有21個(gè)鉆孔發(fā)現(xiàn)輝綠巖夾層。只有8處輝綠巖直接影響煤層，所有的輝綠巖均位于煤層3里面或周邊。

3 沉積分析

MdR煤礦基底為前寒武系變質(zhì)巖系。在岡瓦納古陸分離前屬穩(wěn)定克拉通的一部分，無下古生界沉積。從二疊紀(jì)開始在古生代盆地中形成Karoo超群，一直延續(xù)到早侏羅世。Karoo超群覆蓋在以Tete輝長斜長巖席的基底層上，在MdR煤礦的許多鉆孔中都發(fā)現(xiàn)與斜長巖席相交的現(xiàn)象，并在礦區(qū)的北部和南部出露地表。

MdR煤礦內(nèi)發(fā)育的Karoo超群發(fā)育超過700m的沉積地層，可劃分為Vuzi組、Moatize組和Matinde組。在MdR煤礦中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的6個(gè)煤帶，既含有厚層狀含碳質(zhì)細(xì)粒砂巖單元，又含有中-粗粒砂巖及砂質(zhì)泥巖等。

Vuzi組是Moatize子盆地Karoo超群的基底單元，在MdR煤礦有35個(gè)鉆孔穿過該地層。其沿Murrongoze河出露較好，在MdR煤礦的北部邊緣延伸進(jìn)入到鄰近的礦產(chǎn)資源地。Vuzi組出露的底部是由綠色泥巖、粉砂巖、含復(fù)礦碎屑巖、碎屑和基質(zhì)支撐的礫巖共同形成的沉積組合。

Vuzi組礫巖部分為冰川消退沉積，相當(dāng)于東非坦桑尼亞Ruhuhu盆地層型剖面Indusi組(K1)的Lisimba段(圖2)。下部礫巖單元依次被兩個(gè)旋回的河流相Vuzi組發(fā)育所覆蓋，同時(shí)被薄煤(0煤層)或碳質(zhì)泥巖所覆蓋，MdR煤礦內(nèi)整個(gè)Vuzi組最大沉積厚度接近50 m。Vuzi組頂部煤層發(fā)育較差，在整個(gè)Moatize次級盆地形成了明顯的層序邊界。

直接覆蓋在Vuzi組上的是一組厚度達(dá)50m的質(zhì)地不成熟的中粒至粗粒砂巖，發(fā)育較弱的煤層(1煤層)。盡管該層序在MdR煤礦發(fā)育不完全，但它與Moatize組的Cambeua段、Minjova次級盆地的非正式過渡段以及sanango-mefidezi次級盆地的臺地相組合層位相當(dāng)。由于它是一個(gè)可對比的單元，具有明確的上下邊界，它實(shí)際上應(yīng)該具有定義地位。這個(gè)地層單元巖性總體向上變粗，顯示了大量的水道變換。形成于在冰川沖刷、辮狀扇三角洲背景下，在荷載作用下沉積而成的淡水湖泊沉積相。

該套地層含有2煤層煤系序列，厚度可達(dá)45 m，分布在Moatize組底部的夾層。在ICVL礦區(qū)MW0176鉆井中，2煤層是由被炭質(zhì)泥巖段分隔開來的三個(gè)獨(dú)立單元組成。在Moatize次級盆地的其他地方，泥巖間隔經(jīng)常被混雜陸源沉積巖所取代，但也經(jīng)常遇到三層單獨(dú)的煤層。這部分層序在MdR煤礦內(nèi)取心的鉆孔中并沒有被分割。

在整個(gè)Moatize子盆地中，2煤層之上的沉積序列由20～100 m的深色層狀炭質(zhì)泥巖、粉砂巖和混雜陸源沉積巖組成。這些疊層泥巖單元主要是各種淡水藻類，是在一個(gè)大型分層湖泊盆地中形成的湖泊相組合。

3煤層是MdR煤礦大部分鉆井的目標(biāo)煤層，并具有詳細(xì)的記錄。3煤層的底部通常由碳質(zhì)粉砂巖組成，標(biāo)志著湖泊系統(tǒng)的變淺的最后階段。3煤層像2煤層一樣，3煤層也可以由三個(gè)分開的子煤層(3A、3B和3C)組成。在形成主要3煤層后，由于構(gòu)造活動(dòng)性趨于更加穩(wěn)定，且很少受到外來碎屑水流的影響，在比較穩(wěn)定的環(huán)境，沼澤繼續(xù)繼承和發(fā)育，從因而可形成更加穩(wěn)定的5煤層、7煤層、8煤層、9煤層、10煤層，這些煤層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)都比較簡單。

4 結(jié)論

由于岡瓦納古陸的裂解，贊比西盆地的構(gòu)造演化可以劃分為斷陷期與坳陷期，形成一系列斷陷、地塹和半地塹盆地。MdR煤礦位于Moatize子盆地，它是北西-南東走向的斷陷盆地。Karoo超群從底到頂依次由冰磧巖、煤系地層、扇三角洲碎屑巖。