P. Fernandes 1*, N. Cogné 2, B. Rodrigues 1, R. C. G. S. Jorge 3, J. Marques 4, D. Jamal 5

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1 Versão online: Comunicações Geológicas (2014) 101, Especial I, IX CNG/2º CoGePLiP, Porto 2014 ISSN: X; e-issn: X História térmica do Supergrupo do Karoo da Bacia Carbonífera de Moatize-Minjova, Província de Tete, Moçambique. Integração de dados do poder reflector da vitrinite e da termocronologia dos traços de fissão da apatite The thermal history of the Karoo Supergroup in the Moatize- Minjova Coal Basin, Tete Province, Mozambique. Integrated vitrinite reflectance and apatite fission track thermocronology P. Fernandes 1*, N. Cogné 2, B. Rodrigues 1, R. C. G. S. Jorge 3, J. Marques 4, D. Jamal LNEG Laboratório Nacional de Geologia e Energia IP Artigo Curto Short Article Resumo: Duas sondagens de prospecção de carvão (DW 123 P.T. 489 m e DW132 P.T. 516 m) executadas na Bacia Carbonífera de Moatize Minjova (Província de Tete, Moçambique) foram estudadas usando as técnicas do poder reflector da vitrinite e dos traços de fissão da apatite, para avaliar a sua história térmica relacionada com a fase de subsidência e posterior levantamento tectónico. O PR mostra um aumento linear com a profundidade nas duas sondagens e indica um grau de incarbonização de Carvões Betuminosos na transição entre A e B. Modelação dos dados do PR indicam gradientes paleogeotérmicos entre os 40 e os 56ºC/km. Modelação inversa dos TF e do PR indica que as amostras foram aquecidas até temperaturas máximas entre os 150 e os 180ºC durante a fase de subsidência. Estas temperaturas foram atingidas até os 260 Ma., depois uma primeira fase de arrefecimento ocorreu entre os 255 e os 230 Ma. Depois desta fase seguiu-se um arrefecimento muito lento das secções representadas nas sondagens até ao Neogénico. Aos 7 Ma., ocorreu um segundo episódio rápido de arrefecimento reduzindo a temperaturas das rochas dos 60 50ºC até às temperaturas actuais. Este segundo episódio de arrefecimento é relacionado com a exumação causada pelo levantamento associado às ombreiras do Rift Este-Africano. Palavras-chave: Reflectância da vitrinite, Traços de fissão da apatite, Supergrupo do Karoo, Bacia Carbonífera de Moatize- Minjova, Moçambique. Abstract: Two coal exploration boreholes (DW123 T.D. 489 m and DW132 T.D. 516 m) drilled in the Moatize Minjova Coal Basin (Tete Province, Mozambique) were studied by means of vitrinite reflectance (VR) and apatite fission track analysis (AFTA), in order to assess their burial and uplift histories. VR shows a linear increase in the two borehole sections indicating medium to low volatile coal rank. Modelled VR data indicate palaeogeothermal gradients between 40 and 56ºC/km. Inverse modelling of both VR and fission track data indicate that samples have been heated to a maximum temperature of 150 to 180 C following deposition. Maximum temperature was reached at 260 Ma, then a first phase of cooling occurred between 255 and 230 Ma. The sections subsequently cooled very slowly until Neogene time. At 7 Ma, a second, fast cooling episode reduced rock temperatures from C to present day temperature. This second cooling episode is possibly related to exhumation caused by the uplift and erosion of the East-African Rift shoulders. Keywords: Vitrinite reflectance, Apatite fission tracks, Karoo Supergroup, Moatize-Minjova Coal Basin, Mozambique. 1 CIMA Centro de Investigação Marinha e Ambiental, Universidade do Algarve, Campus de Gambelas, Faro, Portugal. 2 Trinity College Dublin, Department of Geology, Museum Building, Dublin 2, Ireland. 3 Centro de Geologia da Universidade de Lisboa (GeGUL), Faculdade de Ciências, Departamento de Geologia, Edifício C6, Piso 4, Campo Grande, Lisboa, Portugal. 4 Gondwana Empreendimentos e Consultorias Limitada, Rua B, nº 233, Bairro da COOP., Caixa Postal 832, Maputo, Moçambique. 5 Universidade Eduardo Mondlane, Departamento de Geologia, Avenida de Moçambique km 1,5, C.P. 257, Maputo, Moçambique. * Autor correspondente / Corresponding author: pfernandes@ualg.pt 1. Enquadramento geológico As unidades sedimentares do Supergrupo do Karoo em Moçambique estão representadas em bacias de tipo rift com preenchimento desde o Carbonífero Superior até ao Jurássico Inferior (GTK Consortium, 2006; Paulino et al., 2010). Estas bacias desenvolveram nas margens ou no interior de cratões do Proterozóico. Na província de Tete, no centro-oeste de Moçambique, o Karoo sedimentar está bem representado ao longo do vale do rio Zambeze, em bacias intra-cratónicas de estilo graben a semi-graben separadas por blocos horst constituídos por rochas ígneas e metamórficas de alto grau de idade proterozóica. Um dos blocos horst principais localiza-se entre a região de Cahora Bassa e a cidade de Tete, separando a Bacia do Médio Zambeze da Bacia do Baixo Zambeze (Fig. 1). As amostras estudadas localizam-se na Bacia Carbonífera de Moatize-Minjova, uma das várias sub-bacias sedimentares que formam a grande bacia do Baixo Zambeze. A sucessão estratigráfica da Bacia Carbonífera de Moatize-Minjova consiste em várias formações sedimentares que registam mudanças importantes dos ambientes deposicionais e paleoclimas, desde condições glaciares a peri-glaciares na base da sucessão (Formação de Vúzi Pérmico Inferior-Médio), sucedidas no tempo

2 428 P. Fernandes et al. / Comunicações Geológicas (2014) 101, Especial I, por condições temperadas húmidas que caracterizam a Formação de Moatize (Pérmico Inferior-Médio), terminando a sucessão por sedimentos depositados em condições quentes e áridas (Formações de Matinde e de Cádzi, Pérmico Médio a Triásico Inferior). Uma das características mais notáveis da Bacia Carbonífera de Moatize-Minjova é a abundância de camadas de carvão intercaladas na sucessão da Formação de Moatize (Vasconcelos & Achimo, 2010). Fig. 1. Mapa da classificação das bacias sedimentares de Moçambique em relação à fragmentação do Supercontinente Gondwana. Localização da Bacia de Carbonífera de Moatize-Minjova. Fig. 1. Classification of Mozambique s sedimentary basins in relation to the Gondwana Supercontinent break-up. Location of the Moatize- Minjova Coal Basin. 2. Material e métodos As amostras estudadas são de duas sondagens, DW 123 e DW 132, realizadas na Bacia Carbonífera de Moatize- Minjova pela companhia ETA STAR Moçambique S.A., em trabalhos de prospecção de carvão. A sondagem DW123 (Fig. 2.a) intersectou desde a superfície até à profundidade de 489,3 m litologias pertencentes à Formação de Moatize, correspondendo os últimos 5 m a conglomerados clasto-suportados intercalados com níveis centimétricos de argilitos atribuídos ao topo da Formação de Vúzi. Entre os 470 e os 480 m de profundidade a sucessão é intruída por duas soleiras de dolerito, a mais espessa com ca. 1,3 m. De um modo geral, podemos dividir as sucessões desta sondagem em dois intervalos distintos caracterizados pelo tipo de litologia dominante. Na sondagem DW 123 o primeiro intervalo, desde a superfície até ca. 160 m de profundidade é dominado por argilitos, enquanto que o segundo intervalo desde os 160 m de profundidade até ao final da sondagem é dominado por arenitos. A sondagem DW 132 (Fig. 2.b) intersectou apenas litologias da Formação de Moatize e pode ser dividida, tal como a sondagem DW 123 em dois intervalos. Desde a superfície até aos ca. 290 m a sucessão é dominada por litologias argilosas intercaladas com algumas camadas de arenitos e carvão. Dos 290 m de profundidade até ao final da sondagem dominam as camadas de arenitos. Nas duas sondagens as camadas de arenitos podem ser muito espessas devido a processos sedimentares de amalgamação e apresentam outras estruturas sedimentares, como estratificação cruzada, granosselecção positiva, etc., que sugerem a deposição em barras e/ou canais fluviais. A maioria dos argilitos são negros e muito carbonosos com abundantes impressões de plantas. As amostras utilizadas nos estudos de maturação orgânica (reflectância da vitrinite) foram de argilitos negros carbonosos ou argilitos cinzentos. O carvão não foi amostrado porque não ocorria a intervalos constantes nas sucessões das duas sondagens não sendo, por isso, útil para avaliar a variação da maturação com a profundidade. A figura 2 mostra a posição das amostras estudadas para a maturação orgânica e termocronologia dos traços de fissão da apatite nas duas sondagens. A maturação orgânica foi realizada de forma a elucidar o grau de maturação regional e a evolução térmica da Bacia de Moatize-Minjova durante a fase de subsidência. Os estudos de termocronologia dos traços de fissão foram realizados para se conhecer as fases de levantamento tectónico e exumação que se sucederam à(s) fase(s) de subsidência da Bacia de Moatize-Minjova Técnicas de extracção e métodos de estudo Os resíduos orgânicos foram extraídos das amostras de argilitos usando ácido fluorídrico (HF) a frio e preparados, segundo a técnica descrita por Hillier & Marshall (1988), para medir o poder reflector da vitrinite. O parâmetro escolhido para a avaliação da maturação orgânica foi o poder reflector aleatório da vitrinite (%R r ), pois na técnica de montagem realizada as partículas de vitrinite não ficam orientadas e, também, porque este é o parâmetro mais utilizado em estudos de maturação. As medidas de reflectância da vitrinite foram realizadas na Universidade do Algarve e usando uma ferramenta gráfica descrita por Fernandes et al. (2010).

3 História térmica da Bacia Carbonífera de Moatize-Minjova 429 Fig. 2. Descrição geral das sondagens analisadas, com a posição das amostras estudadas e perfis do poder reflector da vitrinite para as sondagens DW 123 (a) e DW 132 (b). A recta de regressão da sondagem DW 123 tem um valor de r2 = 0,97 e a recta de regressão da sondagem DW 132 têm um valor de r2 = 0,98. Fig. 2. General description of the boreholes analysed, with the position of the samples studied and vitrinite reflectance profiles for the boreholes DW 123 (a) and DW 132 (b). The regression line for the DW 123 borehole has a r2 = 0.97 and for DW 132 borehole the regression line has a r2 = Resultados Os resultados obtidos de maturação orgânica para as duas sondagens estudadas estão na tabela 1 e os resultados de traços de fissão da apatite estão na tabela Maturação orgânica Na sondagem DW 123 o %Rr aumenta linearmente com a profundidade, com valores de 1,3%Rr aos 12 m de profundidade e 1,69%Rr aos 480 m de profundidade, apresentando estes dois parâmetros (%Rr e profundidade) um bom factor de correlação com um valor de r2=0,97 para a recta de regressão definindo, assim, um bom gradiente linear (Fig. 2.a). O grau de maturação obtido para a sondagem DW123 corresponde ao grau de incarbonização de Carvões Betuminosos na transição entre A e B. Em termos de geração de hidrocarbonetos, o final da janela do petróleo ocorre a ca. 60 m de profundidade. Os valores de maturação orgânica registados na sondagem DW 132 são semelhantes aos da sondagem DW 123. O %Rr na sondagem DW 132 aumenta linearmente com a profundidade desde 1,32%Rr no topo da sondagem até 1,52%Rr no fundo da sondagem. O %Rr e a profundidade mostram uma boa correlação linear com um valor de r2=0,98 para a recta de regressão (Fig. 2.b). O grau de maturação obtido para a sondagem DW 132 corresponde ao grau de incarbonização de Carvões Betuminosos na transição entre A e B e, em termos de geração de hidrocarbonetos, o final da janela do petróleo encontra-se a ca. 100 m de profundidade Traços de fissão da apatite A sondagem DW 123 forneceu idades de traços de fissão da apatite de 146,1±11,28 Ma. (FT1) no topo e de 102,6±8,8 Ma. (FT2) no fundo da sondagem. O comprimento médio dos traços de fissão confinados nas amostras FT1 e FT2 é 11,7±2,18 μm e 11,7±2,12 μm, respectivamente. A sondagem DW 132 forneceu idades de traços de fissão da apatite de 137,9±12,4 Ma. (FT3) no topo e de 84±7,8 Ma. (FT4) no fundo da sondagem. O comprimento médio dos traços de fissão confinados nas

4 430 P. Fernandes et al. / Comunicações Geológicas (2014) 101, Especial I, amostras FT3 e FT4 é 11,8±2,06 μm e 11,7±2,09 μm, respectivamente. Tabela 1. Dados de maturação orgânica das duas sondagens estudadas. %R r poder reflector da vitrinite e DP desvio padrão. Paleotemperaturas calculadas segundo a equação de Barker & Pawliewicz (1986). Table 1. Organic maturation data from the two boreholes studied. %R r vitrinite reflectance and DP standard deviation. Palaeotemperatures calculated according to the Barker & Pawliewicz (1986) equation. Amostra (Ref.) Profundidade (m) %Rr DP Nº Partículas Paleotemperatura (ºC) M113 12,37 1,3 0, ,2 M115 19,07 1,31 0, M116 25,34 1,31 0, M117 36,92 1,34 0, ,3 M118 43,2 1,35 0, ,1 M119 62,8 1,37 0, ,6 M121 72,38 1,38 0, ,4 M124 87,84 1,4 0, ,9 M ,07 1,42 0, ,4 M ,52 1,44 0, ,8 M ,63 1,46 0, ,3 M ,17 1,47 0, M ,89 1,48 0, ,7 M ,94 1,52 0, ,4 M ,01 1,53 0, ,1 M ,55 1,54 0, ,8 M ,42 1,58 0, ,5 M ,83 1,64 0, ,4 M ,54 1,69 0, ,5 SONDAGEM DW 132 Amostra (Ref.) Profundidade (m) %Rr DP Nº Partículas Paleotemperatura (ºC) M53 8,1 1,32 0, ,8 M56 28,34 1,32 0, ,8 M58 36,2 1,3 0, ,2 M61 46,67 1,33 0, ,5 M63 58,93 1,34 0, ,3 M65 73,18 1,35 0, ,1 M66 84,3 1,37 0, ,6 M ,37 0, ,6 M70 114,1 1,38 0, ,4 M71 147,58 1,39 0, ,1 M76 182,36 1,41 0, ,6 M79 197,1 1,41 0, ,6 M82 206,11 1,43 0, ,1 M84 216,93 1,43 0, ,1 M87 245,22 1,43 0, ,1 M93 280,97 1,44 0, ,8 M95 305,63 1,46 0, ,3 M98 318,84 1,48 0, ,7 M99 324,37 1,49 0, ,4 M ,82 1,51 0, ,8 M ,67 1,52 0, ,4 M ,83 1,52 0, ,4 M ,9 1,55 0, ,5 M ,56 0, ,2 Tabela 2. Dados dos traços de fissão da apatite das duas sondagens. Nσ traços de fissão espontâneos e CMTF comprimento médio dos traços de fissão confinados. Table 2. Apatite fission track data from the two boreholes. Nσ spontaneous fission tracks and CMTF medium track length of confined tracks. Amostra Profundidade Idade central Ns 238 U/ 43 Ca Área (cm 2 ) Erro (2σ) Nº grãos P(chi 2 ) CMTF (μm) (Ref.) (m) (Ma) FT , ,01E ,1 11, ,7±2,18 FT , ,14E ,6 8, ,7±2,12 Amostra Profundidade Idade central Ns 238 U/ 43 Ca Área (cm 2 ) Erro (2σ) Nº grãos P(chi 2 ) CMTF (μm) (Ref.) (m) (Ma) FT , ,59E ,9 12,4 20 <5 11,7±2,09 FT , ,60E , ,8±2,07 4. Discussão O aumento linear da maturação orgânica com o aumento da profundidade observado em ambas as sondagens é característico de um processo de maturação relacionado, principalmente, com os processos de subsidência das bacias sedimentares. Modelando os valores do poder reflector da vitrinite em ambas as sondagens com a equação empírica de Barker & Pawliewicz (1986) obtemos valores de gradientes paleogeotérmicos de 40ºC/km e 56ºC/km para a sondagem DW 132 e DW 123, respectivamente. Usando os valores calculados para os gradientes paleogeotérmicos, podemos estimar a cobertura sedimentar pós-pérmico Inferior, responsável pelos valores de maturação medidos. O valor desta cobertura sedimentar pós-pérmico, é de 3900 m para a sondagem DW 132 e 2700 m para a sondagem DW 123. Foi efectuada uma modelação inversa de acordo com o método descrito por Gallagher (2012) utilizando o software QTQt (Fig. 3.a e 3.b). Os resultados da modelação são semelhantes para as suas sondagens. Após a deposição das sucessões sedimentares, ocorreu um evento térmico cuja temperatura máxima de 160ºC foi atingida 25 Ma após a deposição, para as amostras no topo das sondagens. Para ambas as sondagens este episódio térmico terminou aos 260 Ma (Pérmico Superior) mantendo-se as temperaturas nesta gama de valores durante mais 5 a 10 Ma, após o qual ocorreu um rápido período de arrefecimento. Este episódio de arrefecimento inicia-se entre os Ma e termina entre os Ma. correspondendo a um arrefecimento total de 75-80ºC a uma taxa de arrefecimento de 3,8 a 5,4ºC/Ma. Em relação a este episódio a exumação deu-se a uma taxa de m/ma correspondendo a uma exumação total de 2,5 km. Aos 230 Ma as duas amostras no topo de ambas as sondagens, atingiram a temperatura de 75ºC. Após este período ocorreu uma fase de arrefecimento muito lento durante todo o Mesozóico e parte significativa do Cenozóico até aos 6 Ma. Aos 6 Ma a temperatura era de 60 e 50ºC para as duas sondagens indicando uma taxa de arrefecimento ca. 0,1-0,06ºC/Ma e uma taxa de exumação entre 2 a 4 m/ma com um total inferior a 1km durante 200 Ma. Finalmente, desde os 6 Ma até à actualidade ocorreu uma segunda fase de arrefecimento dos 60ºC até aos 27-36ºC a uma taxa entre 4,2 e 5,8ºC/Ma. A esta fase corresponde uma exumação de 140 a 200 m/ma e um total de exumação de ca. 1 km. 4. Conclusões A história térmica modelada com os resultados dos traços de fissão da apatite e os valores do %R r, indica que o grau de incarbonização dos carvões da Bacia Carbonífera de Moatize-Minjova foi alcançado num breve período de tempo após a deposição, sendo a idade da maturação orgânica do intervalo Pérmico Superior-Triásico Inferior. Após o período de subsidência, com uma espessura máxima de ca. 4 km de rochas sedimentares de idade

5 História térmica da Bacia Carbonífera de Moatize-Minjova 431 Pérmico, duas fases de exumação e erosão afectaram a Bacia Carbonífera de Moatize-Minjova, a primeira durante o Triásico Inferior e a segunda durante o Pliocénico. Na primeira fase de exumação foi erodida uma sequência com ca. 2,5 km de espessura de rochas sedimentares de idade Pérmico Médio-Superior, enquanto que na segunda fase foi erodida uma sequência com ca. 1,5 km de espessura de rochas sedimentares e vulcânicas, muito provavelmente de idade Triásico- Jurássico Inferior. O primeiro pulso de arrefecimento e erosão pode estar relacionado com uma fase tectónica da Orogenia Gondwanide, responsável pela discordância observada em certas bacias do Supergrupo Karoo de Moçambique entre os sedimentos do Pérmico e do Triásico. O segundo episódio de arrefecimento do final do Neogénico, poderá ser uma resposta aos processos de riftogénese de uplift e consequente erosão do flanco oeste do Rift Este-Africano. Fig. 3. Gráfico das histórias térmicas das duas sondagens inferidas pela modelação inversa, (a) sondagem DW 123 e (b) sondagem DW132. Para cada modelo de história térmica, as linhas a azul escuro representam as amostras das sondagens menos profundas (mais frias), e as linhas a azul claro representam o seu intervalo credível. As linhas vermelhas representam as amostras mais profundas (mais quentes) das sondagens, e as linhas a púrpura representam o seu intervalo credível. As linhas a cinzento representam as amostras intermédias entre as anteriores e as linhas horizontais a tracejado os limites de temperatura da zona de retenção parcial da apatite. As caixas a verde são os limites temperatura-tempo constrangidos pela deposição. Fig. 3. Graph of the thermal histories inferred from the inverse modelling of the two boreholes. For each thermal history model, the thick dark blue line is the coolest (shallowest) samples of the boreholes, with its credible interval denoted by thin light blue lines. The thick red line is the hottest (deepest) samples of the boreholes, with its credible interval denoted by the thin purple lines. The grey lines are the intermediate samples and the dashed horizontal lines are the temperature limits of the partial annealing zone (PAZ) of the apatite. The green boxes are the depositional temperature-time constraints. Agradecimentos Os autores desejam expressar o seu agradecimento às empresas ETA STAR Moçambique, S.A. e Gondwana Empreendimentos e Consultorias, Limitada., pela disponibilização das sondagens amostradas e de toda a informação relativa a estas. Referências Barker, C.E., Pawliewicz, M.J., The correlation of vitrinite reflectance with maximum heating in humic organic matter. In: G. Buntebarth, L. Stegena, (Eds). Palaeogeothermics. New York, Springer-Verlag, Fernandes, P., Luis, J., Rodrigues, B., Marques, M., Valentim, B., Flores, D., The measurement of vitrinite reflectance with MatLab. In: M. Oliwkiewicz- Miklasinka, M. Stempien-Salek, A. Iaptas, (Eds). CIMP Poland General Meeting, September Institute of Geological Sciences, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Gallagher, K., Transdimensional inverse thermal history modeling for quantitative thermochronology, Journal of Geophysical. Research, 117, B GTK Consortium, Map Explanation; Volume 2: Folhas Geology of Degree Sheets, Mecumbura, Chioco, Tete, Tambara, Guro, Chemba, Manica, Catandica, Gorongosa, Rotanda, Chimoio e Beira, Mozambique. Ministério dos Recursos Minerais, Direcção Nacional de Geologia, Maputo. Hillier, S., Marshall, J., A rapid technique to make polished thin sections of sedimentary organic matter concentrates. Journal of Sedimentary Petrology, 58, Paulino, F., Vasconcelos, L., Marques, J., Estratigrafia do Karoo em Moçambique. Novas Unidades. In: D. Flores, M. Marques, (Eds), X Congresso de Geoquímica dos Países de Língua Portuguesa, Universidade do Porto, Porto, Portugal. Memórias 14, 249. Vasconcelos, L., Achimo, M., O carvão em Moçambique. Ciências Geológicas Ensino e Investigação da sua História. In: J.M., Cotelo Neiva, A. Ribeiro, L. Mendes Victor, F. Noronha, M.M. Ramalho, (Eds). Geologia das Ex-Colónias de África, Moçambique, Lisboa, III,