莫桑比克下卡鲁-赞比西盆地二叠纪矿床成因的地球化学特征及锶-钕同位素约束

《Journal of African Earth Sciences》：Geochemical and Sr-Nd isotope constraints on the provenance of Permian deposits from Mozambique's Lower Karoo Zambezi Basin

泥岩地球化学与Sr-Nd同位素分析揭示莫阿蒂斯-马廷迪次盆古沉积环境与源区特征，显示强风化作用及相似的花岗岩质源区，沉积于温暖湿润气候的受限大陆盆地。

　　

R.C.G.S Jorge|P. Fernandes|Z. Pereira|J.F. Santos|G. Lopes|J. Marques

里斯本大学，理学院，Dom Luiz研究所，Campo Grande，C6号楼，4层，1749-016，里斯本，葡萄牙

摘要

本文分析了莫阿蒂泽（Moatize）和马廷德（Matinde）地层中二叠纪泥岩的全岩地球化学特征及Sr-Nd同位素组成，以确定这些沉积物的来源、风化历史以及莫桑比克卡鲁-赞比西盆地（Karoo Zambezi Basin）中莫阿蒂泽-明若瓦（Moatize - Minjova）次盆地的古地理环境。两种地层的地球化学特征表明，再循环和分选作用的影响很小，这表明沉积作用发生在活跃的构造环境中。微量元素系统分析及关键来源比值（Th/Sc、La/Sc、Cr/Th、La_N/Sm_N、Eu/Eu*）表明，这些沉积物主要来源于长英质岩石，同时含有少量基性岩石成分。莫阿蒂泽和马廷德地层的泥岩具有相似的同位素特征，其εNd (t) 值分别为?9.32 ± 0.74和?7.99 ± 1.10，Nd T_DM模型年龄分别为1.68 ± 0.08 Ga和1.51 ± 0.12 Ga。这些同位素结果表明，这两种地层来源于多种岩石类型，包括晚元古代和中新元古代的岩石，这些岩石主要来自马拉维南部、楠普拉地块（Nampula Block）、古罗套（Guro Suite）以及马科萨-奇莫伊奥地块（Macossa-Chimoio Nappe）。

莫阿蒂泽和马廷德地层的化学风化指数（Chemical Index of Alteration）和化学风化指数（Chemical Index of Weathering）均较高（>85和>90），同时组成变异性指数较低，K/Cs比值也较低。Al₂O₃–(CaO + Na₂O)–K₂O (A–CN–K)关系表明，这些泥岩未经历沉积后的钾交代作用。这些数据共同表明，其来源区域经历了强烈的古风化作用。此外，风化指数表明，在莫阿蒂泽和马廷德地层沉积期间，古气候温暖湿润。这些地层形成于瓜达卢皮安期（Middle Permian）至洛平期（Late Permian）之间的封闭大陆盆地中。

引言

在盘古大陆时期（晚石炭世至早侏罗世），非洲位于冈瓦纳超大陆的核心位置（Torsvik和Cocks，2017；Gradstein等人，2020）。这一时期发生了许多重要的地质、生物和气候事件，对冈瓦纳大陆产生了深远影响。其中最引人注目的是从晚古生代冰室气候向三叠纪暖室气候的剧烈转变，同时伴随着广泛的干旱（例如，Retallack，2013）。所有这些事件都记录在冈瓦纳大陆的岩石记录中，尤其是在非洲卡鲁盆地的沉积序列中（Catuneanu等人，2005；Hancox，2016；G?tz等人，2020）。

这些盆地包括南非的主卡鲁盆地（MKB）及其北部的多个大陆裂谷盆地。MKB是一个前陆盆地，南部边界为开普褶皱带（Cape Fold Belt）的山脉（例如，Catuneanu等人，2005；Viglietti等人，2017）。这些大陆裂谷盆地是由前寒武纪至早寒武纪时期形成的高应变剪切带重新激活而形成的（例如，Afonso，1984；Delvaux，2001；GTK-Consortium，2006）。因此，研究表明，非洲卡鲁盆地在构造风格、地层序列和孢粉学记录方面存在差异（例如，Nyambe和Dixon，2000；Catuneanu等人，2005；Jacobs等人，2005；Isbell等人，2008；Phiri等人，2016；Barbolini等人，2018）。MKB的沉积记录显示，从晚石炭世至早洛平世，环境主要为海洋环境；而裂谷盆地的沉积则主要发生在非海洋环境中（Johnson等人，1996；Catuneanu等人，2005；Hancox，2016）。

本研究聚焦于莫阿蒂泽-明若瓦次盆地（MMSB）（图1b和2），该盆地是莫桑比克卡鲁-赞比西盆地（KZBM）的一部分。该盆地也是撒哈拉以南非洲大陆裂谷盆地网络中的一个组成部分（Fernandes等人，2023；2024）。MMSB以其丰富的煤炭资源而闻名，尤其是莫阿蒂泽煤田（Real，1966；Afonso，1984；Vasconcelos，1995；Vasconcelos和Achimo，2010）。

近年来，人们对MMSB的地层和沉积环境（Bicca等人，2017；Lopes等人，2021；Fernandes等人，2023）、孢粉学特征（Pereira等人，2016，2019；Galasso等人，2019）、碎屑锆石U-Pb地质年代学（Bicca等人，2018；Fernandes等人，2024）以及构造和热历史（Fernandes等人，2015，2023，2024；Bicca等人，2017；Galasso等人，2019）进行了详细研究。尽管在地质学理解方面取得了进展，但其沉积序列的地球化学特征仍知之甚少，目前尚无相关研究发表。本研究首次提供了MMSB下卡鲁群泥岩的全岩地球化学数据，包括主要元素、微量元素和稀土元素以及Sr-Nd同位素组成，为了解晚古生代冰期结束至晚二叠世煤炭形成期间的环境提供了新见解。此外，本研究还评估了该沉积期间的古风化条件、来源区成分的变异性以及沉积物再循环的潜在影响。这些原始数据有助于进一步了解MMSB在冈瓦纳大陆盆地演化过程中的古气候和古环境特征。

地质背景

下卡鲁群（Lower Karoo Group）在莫桑比克Tete省的KZBM地区有丰富的分布（图1b和2）。这些地层沉积于裂谷和半裂谷型沉积盆地中，这些盆地形成于泛非造山运动期间（6.2亿至5.3亿年前）形成的高应变地质缝合带（GTK-Consortium，2006；Norconsult Consortium，2007）。Tete省的结晶基底由不同的冈瓦纳岩石组成

采样和钻孔描述

从MMSB的Muarádzi煤田中钻探的五个煤炭勘探钻孔（ETA 15A、ETA 65、ETA 71、ETA 72和ETA 75）中获得了矿物学、地球化学和Sr-Nd同位素数据。这些钻孔的地理位置如图2所示。样品系統地采集于钻孔沿线，排除了煤层和有机质最丰富的层段，以及受到沉积后改变或近期风化影响的层段。

地层序列

矿物学特征

XRD分析显示，莫阿蒂泽地层的粘土矿物组合高度均匀，以高岭石为主，次要矿物为白云母和混合层伊利石/云母。莫阿蒂泽地层的泥岩也具有相似的粘土矿物组合。在这两种地层中，非粘土矿物主要为石英（图6）。

主要元素

莫阿蒂泽和马廷德地层泥岩的平均成分见表1。

主要元素的地球化学特征反映了

分选作用和沉积物再循环

与碎屑颗粒运输和沉积相关的水动力过程会影响古风化和来源指示参数的分布，这受到颗粒大小、颗粒形状和重矿物分选作用的影响（例如，Bauluz等人，2000；Garzanti等人，2009；Augustsson等人，2023）。在硅质碎屑序列中，锆和钛通常存在于致密和超致密矿物（锆石、金红石和钛铁矿）中，这些矿物几乎不受沉积后变化的影响

结论

系统分析了Muarádzi煤田泥岩的矿物学特征、全岩地球化学特征及Sr-Nd同位素组成，重点研究了莫阿蒂泽和马廷德地层。研究结果得出以下结论：

i)

两种地层的矿物组合相似，主要元素、微量元素和稀土元素的分布模式也相似，反映了来源区成分和风化历史的共同影响；

ii)

这些地层的地球化学特征表明

CRediT作者贡献声明

Jo?o Marques：撰写、审稿与编辑、研究。Raul C. G. Santos Jorge：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、研究、数据管理、概念化。Paulo Fernandes：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、研究、资金争取、概念化。Zélia Pereira：撰写、审稿与编辑、研究。José Francisco Santos：撰写、审稿与编辑、资源协调。Gilda Lopes：撰写、审稿与编辑、研究

未引用的参考文献

Coney等人，2007；Grantham等人，2011；Joo等人，2005；Manda等人，2019；Manjate和Tasssinari，2018；Pendkar等人，2014；Tabor等人，2007；Viola等人，2008；Wescott和Diggens，1997。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

本研究的撰写过程中未使用任何人工智能或人工智能辅助技术。

致谢

本研究得到了葡萄牙科学技术基金会（FCT）I.P./MCTES通过国家基金（PIDDAC）——UIDB/50019/2020项目PALEOCLIMOZ（PTDC/CTA-GEO/30082/2017）以及LA/P/0069/2020项目（资助ARNET实验室）和UIDP/00350/2020项目（资助阿尔加维大学CIMA）的支持。作者感谢ETA STAR Mo?ambique有限公司和Gondwana Empreendimentos e Consultorias有限公司提供的钻孔数据和协助。