莫桑比克Moatize盆地MdR煤矿地质特征分析

2021-12-17龙陆军

中国煤炭地质 2021年11期

龙陆军

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

莫桑比克共和国位于非洲东南部。南邻南非、斯威士兰，西界津巴布韦、赞比亚、马拉维，北接坦桑尼亚，东濒印度洋，隔莫桑比克海峡与马达加斯加相望[1-3]。

莫桑比克属于高原地区其中山地约占全国面积五分之三，其余为平原。森林约占领土的四分之一。地势从西北至东南大致分为三级台阶：西北部是高原山地，平均海拔500～1 000m，其中宾加山高达2 436m，为全国最高点；中部为台地，高度为200～500m，有岛山散布其间；东南部沿海为平原，平均海拔100m，呈带状分布，北窄南宽，是非洲最大平原之一。河流众多，赞比西、林波波等大河均自西向东注入印度洋[4-7]。

1 区域地质特征

1.1 区域地层

非洲撒哈拉的大部分煤矿赋存于Karoo超群含煤岩系的沉积岩中[8-9]。在南非Karoo超群由上而下可分为Dwyka、Ecca、Beaufort和Stormberg等四个组。

非洲中南部的Karoo盆地(图1)是在超大陆聚合和裂解的一级旋回中演化的，其受两种不同构造体制的影响。南非Karoo盆地的主要外缘是一个挤压性质的弧后前陆盆地，Karoo盆地是一个伸展裂谷盆地，形成于克拉通内部或者克拉通之间，以及冈瓦纳大陆南缘和北缘伸展构造相关的地堑或半地堑中。非洲中南部(包括莫桑比克)的这些与裂谷相关的盆地在构造上比南非的前陆相关盆地更为复杂[10-12]。

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

Karoo地层序列在裂谷盆地内的表现为五个沉积层序，每个层序的底部都有一个粗粒砂岩或红色砂岩类型。坦桑尼亚西南部的Ruhuhu盆地便是这种沉积序列的最好例证。

叠加构造的控制作用在盆地演化、气候波动会保留在地层记录的痕迹中，Ruhuhu盆地岩性显示了从晚石炭世—早二叠世期间气候由寒冷、半干旱气候条件转变为三叠纪和侏罗纪时期的温暖气候，并最终因受降水波动转变为的炎热气候的证据。

通过对这些盆地中孢子、花粉分析表明，煤形成于两个不同的时期，一个是在西苏里亚时代(artinskiian - kungurian)，另一个是在瓜达鲁皮亚时代底部的Roadian阶段。

1.2 区域构造和岩浆岩

中生代的侏罗纪-白垩纪时期由于地壳垂直运动与冈瓦纳的裂解有关，包括非洲板块从东部冈瓦纳的分离，形成了各种裂谷(地堑、半地堑和地垒)。这一区域被新生代的地壳穹窿、东非裂谷系相关的裂谷和火山活动所覆盖。并存在两个快速冷却和剥露阶段，第一个阶段，在中—上三叠统时期的240～230 Ma，剥露程度达2 500～3 000 m；第二阶段为中新世晚期的6 Ma以后，剥露程度达1 000～1 500 m。

由于长期的伸展运动史和复杂的构造，大部分地层及煤层都普遍呈倾斜状态。赞比西盆地复杂的构造史产生大量的次级盆地，导致了太特省的煤田存在不同程度的地层剥离，在侏罗纪时期的辉绿岩以岩墙和岩席形式的侵入，以及晚白垩世岩浆岩侵入。断层的位移从几米到几百米不等，轻微褶皱作用发生的机制与断层拖拽有关，而不是与任何褶皱有关挤压应力相关。

太特省大部分煤田都受到侏罗系辉绿岩侵入的影响，而这些侵入岩可能是对煤田最具破坏性的一个方面。辉绿岩形成了薄的垂直岩墙和厚的可达120m平行层理的岩席。辉绿岩侵入还导致大量煤被燃烧或转化为低挥发性贫烟煤或半无烟煤。辉绿岩侵入也可能是沼气和水聚积的原因。

辉绿岩侵入区及各次级盆地的边界断裂附近，地层和煤层内部构造复杂，地层产状倾角可达70°。

1.3 莫桑比克Karoo超群地质特征

莫桑比克的Karoo盆地是上述非洲中南部与裂谷相关的盆地网的一部分。莫桑比克大部分含煤的Karoo超群等矿床位于东西向构造控制的盆地，统称为赞比西主盆地。该盆地下伏为前寒武纪基底，盆地构造不对称，以断裂为界，有多个倾斜块体，沉积层序可达3 000m以上。

赞比西盆地位于太特西部，沿赞比西河展布大部在莫桑比克境内，少部在津巴布韦(Cabraba盆地)。地层自上而下由Kalahair超群、Karoo超群和前寒武系基底构成。地层层序如下：

Kalahair超群：白垩系—上新统。

Karoo超群：侏罗系，巴托卡玄武岩，厚300m。

三叠系：福里斯特砂岩，厚80m。斯底坡斯勒坡砂砾岩，厚200m。

下二叠统：上部为万基煤系，厚100～300m，中部为砂岩夹煤层，下部为砾岩。

上石炭统：冰碛岩。

寒武纪：变质岩。

赞比西河盆地的主盆地可以进一步划分为若干次级盆地(大部分为以断层为界的地堑和半地堑)，这些次级盆地由于侏罗纪和白垩纪的伸展构造运动和随后的侵蚀而分离，但它们很可能最初是更大的相互连接的赞比西河盆地的一部分。各个次盆地主要边界断裂的位置受前寒武纪主要构造的强烈控制。

从图2可以明显看出，太特省的各个Karoo老盆地的面积超过350km的区域，从西部的Cahora Bassa湖到东部马拉维边界。从西到东可分为7个子盆地，这些子盆地被称为Chicoa-Mecucoe(包括Mucanha-Vuzi部分)、Sanangoe-Mefidezi、Moatize(或Moatize- benga)、Muarazi和Minjova亚盆地，以及Ncondezi和Mutarara的西北和东南延伸。

图2 赞比西河流域中部的次级盆地地质图Figure 2 Secondary basin geological map of central Zambezi River valley

2 矿区地质特征

2.1 矿区地层

MdR煤矿位于赞比西河盆地Moatize子盆地中，距离Tete省省会东北10km处。它是北西-南东走向的地堑盆地，长约20km，宽7km，与赞比西河流拓宽区域相连。至少存在两期正断层活动。MdR煤矿面积3 964.55hm2。

MdR煤矿的Karoo超群中存在四个主要的地层单元。从下往上，依次被划分为Vuzi组、Moatize组、Matinde组和Cadzi组。这些Karoo超群沉积岩不整合地覆盖在由元古代交代沉积岩组成的基底上，基底被Tete杂岩体的镁质岩侵入。

1)基底。赞比西河盆地的结晶基底是由Zambezi活动带的大量的前寒武纪岩石形成的，该活动带为一个造山带，把津巴布韦克拉顿和赞比亚克拉顿分开。在太特地区，基底通常由Tete杂岩的岩性组成，Tete杂岩是一种变质的层状超基性-基性杂岩，主要由蛇纹岩、变质橄榄岩、变质辉石岩和变质辉长岩组成，伴生角闪岩和斜长岩。

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2) Vuzi组。与南非主Karoo盆地一样，莫桑比克裂谷盆地的沉积开始于冰川作用来源的沉积岩，相当于南非主Karoo盆地的Dwyka组。在大多数情况下，裂谷作用处于初期阶段的选择性侵蚀主导了构造作用的影响。

Vuzi组沿着Cahora Bassa湖北缘以及Moatize组和Ncondezi组的一些边界区域分布，露头为孤立的透镜状。地层单元的空间变化很大，从0m到最充分发育时超过300m。

Vuzi组露头出露较好的地方通常分布在古河谷，由混杂陆源沉积岩、砾岩、砂岩、粉砂岩和稀有煤组成。在太特地区的钻孔和露头资料表明，该沉积单元厚度可达300m，可能沉积于Tete斜长岩复合基底Sanangoe剪切带的前期风化作用形成的冰川冲刷加深的先存河谷中。

Vuzi组一般由弱分选、基质支撑的大颗粒的混杂陆源沉积岩、砾岩粗粒砂岩和细碎屑岩组成，向上依次为含碳质细粒砂岩、粉砂岩、泥岩和少量的煤。这些都归因于冰川沉积作用，例如形成冰碛物、冰川冲积扇和冰川湖。

Vuzi组在区域上覆有一系列粗粒砂岩夹层、混杂陆源沉积岩和薄煤层单元。这样的演替序列是由于粗粒冲积扇和辫状扇三角洲进积到裂谷湖，由冰川融化的淡水填充。在这些冲积扇和辫状扇三角洲台地上形成的滨线煤层是上覆Moatize组的基底的标志。

3)Moatize组。Moatize组不整合地覆盖在元古代基底或Vuzi组上，含有主要的具有重大经济意义的煤炭矿床。

在Moatize次级煤田盆地中，含煤的Moatize组的厚度为260～400 m，通常包含6个主要煤层(或煤带)。由于Moatize盆地煤炭勘查的历史优势，该煤层地层学已成为比较和对比其他次级盆地煤序的标准。在Moatize次级盆地中发现了6个煤层(或煤带)，从底部开始，向上依次被称为2煤层、3煤层、5煤层、7煤层、9煤层和10煤层。Moatize次级盆地煤田的煤层一般可细分为两种主要类型，即赋存于厚层状含碳的细粒砂岩沉积单元中的煤层(如2煤层和3煤层)以及那些上下被砂岩包裹的煤层(例如7、9和10煤层)。目前Moatize次级煤田盆地大部分工作的主要目的层为3煤层，其厚度超过50 m。

4)Matinde组。Matinde组不整合地覆盖在Moatize组之上，是保存在Moatize次级盆地上的最上面的Karro单元。该地层一般由交错层状粗粒砂岩、粉砂岩和泥岩组成，煤层发育程度不一，可解释为沉积于河流沉积环境。该套地层厚为10～100m。

2.2 矿区构造与岩浆岩

MdR煤矿内Karoo群沉积地层的层理倾向从南南东8°～12°变化到断层带附近的22°左右，这是由于断层倾斜作用造成的。在Murrongoze河的河段可以看到许多断层，但基于岩心资料表明断层倾角为75°～85°。目前至少存在两期正断层作用导致了矿区属性被分割成许多离散的断夹块。正是这些节理和断层组合的共轭性质，形成了MdR煤矿内地块高度切割的断块体。

1242L矿区的地堑构造的主要边界断裂也是MdR煤矿内两条断裂的北延。MdR煤矿节理的走向三个主要方向的应力，即北东-南西、北西-南东和东-西方向。

正是这些节理和断层组合的共轭性质，形成了MdR煤矿内地块高度切割的断块体。矿区地表的倾角的变化观察，在侏罗纪、白垩纪和中新世伸展期可能发生了块体旋转。

在MdR煤矿的地表记录了少量的火成岩侵入，该项目中仅仅只有21个钻孔发现辉绿岩夹层。只有8处辉绿岩直接影响煤层，所有的辉绿岩均位于煤层3里面或周边。

3 沉积分析

MdR煤矿基底为前寒武系变质岩系。在冈瓦纳古陆分离前属稳定克拉通的一部分，无下古生界沉积。从二叠纪开始在古生代盆地中形成Karoo超群，一直延续到早侏罗世。Karoo超群覆盖在以Tete辉长斜长岩席的基底层上，在MdR煤矿的许多钻孔中都发现与斜长岩席相交的现象，并在矿区的北部和南部出露地表。

MdR煤矿内发育的Karoo超群发育超过700m的沉积地层，可划分为Vuzi组、Moatize组和Matinde组。在MdR煤矿中已经发现的6个煤带，既含有厚层状含碳质细粒砂岩单元，又含有中-粗粒砂岩及砂质泥岩等。

Vuzi组是Moatize子盆地Karoo超群的基底单元，在MdR煤矿有35个钻孔穿过该地层。其沿Murrongoze河出露较好，在MdR煤矿的北部边缘延伸进入到邻近的矿产资源地。Vuzi组出露的底部是由绿色泥岩、粉砂岩、含复矿碎屑岩、碎屑和基质支撑的砾岩共同形成的沉积组合。

Vuzi组砾岩部分为冰川消退沉积，相当于东非坦桑尼亚Ruhuhu盆地层型剖面Indusi组(K1)的Lisimba段(图2)。下部砾岩单元依次被两个旋回的河流相Vuzi组发育所覆盖，同时被薄煤(0煤层)或碳质泥岩所覆盖，MdR煤矿内整个Vuzi组最大沉积厚度接近50 m。Vuzi组顶部煤层发育较差，在整个Moatize次级盆地形成了明显的层序边界。

直接覆盖在Vuzi组上的是一组厚度达50m的质地不成熟的中粒至粗粒砂岩，发育较弱的煤层(1煤层)。尽管该层序在MdR煤矿发育不完全，但它与Moatize组的Cambeua段、Minjova次级盆地的非正式过渡段以及sanango-mefidezi次级盆地的台地相组合层位相当。由于它是一个可对比的单元，具有明确的上下边界，它实际上应该具有定义地位。这个地层单元岩性总体向上变粗，显示了大量的水道变换。形成于在冰川冲刷、辫状扇三角洲背景下，在荷载作用下沉积而成的淡水湖泊沉积相。

该套地层含有2煤层煤系序列，厚度可达45 m，分布在Moatize组底部的夹层。在ICVL矿区MW0176钻井中，2煤层是由被炭质泥岩段分隔开来的三个独立单元组成。在Moatize次级盆地的其他地方，泥岩间隔经常被混杂陆源沉积岩所取代，但也经常遇到三层单独的煤层。这部分层序在MdR煤矿内取心的钻孔中并没有被分割。

在整个Moatize子盆地中，2煤层之上的沉积序列由20～100 m的深色层状炭质泥岩、粉砂岩和混杂陆源沉积岩组成。这些叠层泥岩单元主要是各种淡水藻类，是在一个大型分层湖泊盆地中形成的湖泊相组合。

3煤层是MdR煤矿大部分钻井的目标煤层，并具有详细的记录。3煤层的底部通常由碳质粉砂岩组成，标志着湖泊系统的变浅的最后阶段。3煤层像2煤层一样，3煤层也可以由三个分开的子煤层(3A、3B和3C)组成。在形成主要3煤层后，由于构造活动性趋于更加稳定，且很少受到外来碎屑水流的影响，在比较稳定的环境，沼泽继续继承和发育，从因而可形成更加稳定的5煤层、7煤层、8煤层、9煤层、10煤层，这些煤层结构结构都比较简单。