新疆库鲁克塔格地区基性岩墙群的岩石地球化学特征、形成时代及其大地构造意义

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新疆库鲁克塔格阔克苏地区基性岩墙群由一系列NW向延伸的辉绿岩岩墙组成，其常量元素和微量、稀土元素特征表明其属于钙碱性玄武岩系列。K-Ar同位素定年结果表明，辉绿岩生成时代为282Ma。辉绿岩3He/4He值变化不大，介于（2.03～7.1）×10-7，明显大于放射性成因的3He/4He值，远远小于地幔的3He/4He值。40Ar/36Ar初始值为507，40Ar/36Ar值变化范围为803～1214，表现出明显的相对于空气的40Ar过剩。辉绿岩He、Ar同位素特征是原始地幔和放射性成因源或地壳源的混合结果，它可能与塔里木、天山构造带发育的早二叠世裂谷作用有关。同时也暗示，上述地区的裂谷作用可能受到更深层次的构造活动的控制。

一、引言

库鲁克塔格地区位于塔里木盆地的东北缘，属于塔里木地块的边缘隆起带（新疆维吾尔自治区地质矿产局，以下简称新疆地矿局，1993）。前寒武纪基底广泛出露，最老的为深变质的TTG系列的托格杂岩体，其上被中深变质的表壳岩不整合覆盖。在深变质岩和花岗岩类岩石中密集平行分布中基性岩墙群，总数达数千条，密度高，黑白相间，形成一种特殊的地貌景观，形似“斑马”，故野外称为“斑马”岩墙群（新疆地矿局，1993）。这些辉绿岩类岩墙未曾有过岩石地球化学和同位素年代学的详细研究，本书着重从岩石地球化学及同位素年代学角度对阔克苏塔格一带的代表性岩墙群进行系统研究，试图为该区的构造演化研究提供年代学及岩石地球化学的依据。

二、岩石学和岩石化学特征

阔克苏塔格基性岩墙群位于兴地断裂南北地区（图1-1-1），主要由一系列近于平行、相互间距大致相等的辉绿岩岩墙组成，岩墙群的走向为330左右，近于直立或略向南东方向倾斜，倾角约78。单个岩脉宽几十厘米到数米，长几十米到数百米，脉体中心部位呈中细粒显晶质结构，边部具明显的冷凝边，冷凝边宽度与脉体的宽度成正比，数厘米到十几厘米不等。岩墙群侵入于前寒武系变质岩和花岗岩中，边界平直，局部具有追踪张的特征。系统的薄片观察表明，组成该岩墙群冷凝边部分的岩石总体上呈均匀中粒的半自形柱状和粒状结构，岩墙中心部位的矿物颗粒较粗，多呈次辉绿结构。组成岩石的主要矿物为近于等量的普通辉石和斜长石，普通辉石普遍具闪石化、绿帘石化等，斜长石多具弱绢云母化，另外，含有少量绿泥石和钛磁铁矿等，岩石样品总体新鲜。

图1-1-1 阔克苏塔格地区基性岩墙群分布地质简图

（据阔克苏幅1：20万地质图修编）

1—第四系；2—元古宇；3—太古宇；4—花岗岩类岩体；5—岩墙群；6—断层；7—采样点

岩墙主元素化学分析结果见表1-1-1，主要氧化物百分含量特征：①SiO2含量为40.68%～53.34%，总体属于基性岩类。②全铁的含量为8.47%～14.52%，平均10.04%。③全碱的含量为3.50%～5.85%，平均4.72%，其中w（K2O）/w（Na2O）在0.29～0.50之间。④TiO2的范围变化在1.07%～3.2%间，一般在1.07%～1.5%之间。

利用Irvine＆Baragar（1971）判别图（图1-1-2）判别样品的岩石系列属性，结果表明，除一个样品落入碱性系列岩区外，其他样品全部落入亚碱性系列范围。亚碱性系列一般尚可进一步划分为钙碱性系列和拉斑玄武岩系列。故此将上述属于亚碱性系列的样品投入AFM图解中（Irvine＆Baragar，1971）以进一步确定其属性。投图结果表明（图1-1-3），总体属于钙碱性系列。因此本区的岩墙岩石总体属于亚碱性系列，具有钙碱性系列化学成分特征。

表1-1-1 阔克苏塔格基性岩墙群样品的常量元素分析结果（wB/%）

注：表中1～6由地质矿产部国家地质实验测试中心测试；7～9引自（新疆地矿局，1993）。

图1-1-2（Na2O+K2O）-SiO2岩浆岩系列判别图

（据Irvine＆Baragar，1971）

Alk—碱性系列；Sub-Alk—亚碱性系列

图1-1-3 FeO*-（Na2O+K2O）-MgO岩浆系列判别图

（据Irvine＆Baragar，1971）

Th—拉斑玄武岩系列；Ca—钙碱性系列

三、稀土和微量元素特征

岩墙的微量元素和稀土元素分析结果列于表1-1-2。由分析结果可知，在阔克苏塔格地区的辉绿岩中，Sr、Ba、Ce、Zr、Sm等元素无论是相对于球粒陨石（Boynton，1984）还是N型MORB（Pearce，1984）均较富集，而P、Ti、Y、Yb等相对于N型MORB略高或略低，Sc、Cr等相对亏损，尤其是Cr的亏损非常明显，与板内玄武岩微量元素地球化学特征相似（图1-1-4）。

表1-1-2 岩墙群岩石的微量和稀土元素丰度表（wB/10-6）

注：表中数据由原地质矿产部国家地质实验测试中心测试。

所有样品的REE丰度及其球粒陨石标准化配分曲线型式显示出LREE明显富集型（La/Yb）N=2.44～32.99，一般在4～6之间；除了TG38-6和TG38-7外，其他样品具有轻度的Eu亏损（δEu=0.71～0.84），一般来说，表明原始岩浆经受了以斜长石为主要结晶相的分离结晶作用。表现出典型的碱性或钙碱性玄武岩的稀土配分特点。

图1-1-4 阔克苏塔格基性岩墙群岩石稀土元素球粒陨石标准化分配型式图

四、形成时代

测钾和测氩用同一样品，用缩分法取样，以尽量保证样品的一致性。钾是在锂内标和钠缓冲的溶液中使用火焰光度计测量，重复测定的重现性很好，相对误差一般小于1%。

测Ar用同位素稀释法。样品装入去气的钼坩埚，置入萃取Ar的系统，抽真空并在200℃条件下恒温过夜烘烤，释放的气体由分子筛吸附。整个萃取系统烘烤至450℃，扩散泵抽真空。用高频感应加热系统熔样，并用Pertersen公司生产的钛海绵炉、Cu-CuO炉和沸石纯化。氩同位素组成用VSS公司生产的RGA10型质谱计测量，配有分子泵抽真空。真空条件：系统真空为（6～7）×10-7Pa，质谱计真空（4～5）×10-7Pa。本底水平：40Ar=（1.7～3.5）×10-13mols，38Ar=（2.7～5.4）×10-14mols，36Ar=（5.4～10.7）×10-14mols。其分析流程和实验参数与穆治国（1990）采用的一致，年龄计算中使用的常数为国际地科联推荐值（Curtis，1981）。测试结果列于表1-1-3。

表1-1-3 辉绿岩墙K-Ar等时线定年结果

注：分析者：北京大学地质学系K-Ar同位素分析室；样品质量指用于测氩的样品质量。

本区的岩墙群侵入于前寒武系地质体中，其形成时代的地质状况无直接证据，因此选择了四个蚀变作用较弱的样品进行常规K-Ar定年工作，其表观年龄较分散。利用K-Ar等时线技术（穆治国，1990）得到一条线性相关系数为0.9851的较好的等时线（图1-15），等时线年龄为282.35Ma，40Ar/36Ar初始比为507.1。利用ISOPLOT程序对分析数据进行了处理，等时线年龄为（282±15）Ma，置信度为95%；40Ar/36Ar初始值为508.1。初始值与现代大气值（295.5）相差甚远，这就导致了以现代大气值进行校正计算的表观年龄偏离，导致表观年龄为455.2～673.1Ma。这也与其产于深层次地质体的地质事实相符，即侵位时深度较大，同时形成岩墙的岩浆来源较深，这就造成了过剩氩的存在，使得表观年龄明显大于其真实侵位年龄。

图1-1-5 阔克苏塔格地区辉绿岩墙全岩的（40Ar/36Ar）—（40K/36Ar）等时图解

等时线年龄代表岩石达到氩封闭体系以来所经历的时间。基性岩对于氩的封闭温度较高，而且该处岩脉厚度小，普遍存在冷凝边，表明岩浆入侵后冷却速度较快，因此，从岩浆入侵到冷凝结晶，直至对氩封闭所经历的时间不长，K-Ar等时年龄可以作为岩石形成年龄。

五、He、Ar同位素特征

He同位素在中国地质科学院矿床地质研究所惰性气体同位素研究室测定，分析方法可参见有关文献（李延河等，1997）。用于He同位素分析的辉绿岩均为新鲜的全岩样品，样品碎至6mm左右的小颗粒，每件样品重500～800mg。样品于200℃加热去气30min，1500℃熔样40min，使样品完全熔融分解。释放出的气体经海绵钛泵、活性炭冷阱4次纯化，H2、N2、O2、CO2、CH4、H2O、有机质等活性气体被冷冻、吸附。纯净的 He、Ne进入分析系统。随He、Ne进入分析系统的微量H2、Ar等杂质气体经加液氮的钛升华泵再次纯化去掉。He同位素用乌克兰生产的MI-12001 IG惰性气体质谱计测量。4He用法拉第杯接收，3He用电子倍增器接收。倍增器的分辨率调至1200，使3He与HD+H3峰完全分开，无须HD+H3校正。分析样品之前先测量标准气体，并根据标准气体的测量结果进行计算。工作标准为北京的大气，3He/4He值为1.40×10-6。4He的空白值为2.129×10-11cm3STP，一般不需要4He的空白值校正。样品的测量精度为1%～10%。结果列入表1-1-4。

新疆库鲁克塔格阔克苏地区辉绿岩的3He/4He值变化不大，介于（2.03～7.1）×10-7。明显大于放射性成因的3He/4He值，远远小于地幔的3He/4He值，这说明岩石中的He同位素不是单一放射成因的。3He值变化也不大，介于（2.40～9.30）×10-12，4He值变化更小，为（1.09～1.41）×10-5（图1-1-6）。本区辉绿岩3He、4He同位素浓度总体低于阿尔泰地区的He同位素浓度，不过3He/4He值两者相近。

表1-1-4 基性岩脉He、Ar测试结果

注：Ar同位素由北京大学K-Ar同位素研究室刘玉琳测定；He同位素由中国地质科学院矿床地质研究所惰性气体同位素实验室宋鹤彬、李延河、李金城测定。

图1-1-6 辉绿岩的氦同位素组成图

P—原始氦；M—地幔氦；R—放射性成因氦；☆—阿尔泰辉绿岩；○—本区结果

表1-1-4中所示的40Ar/39Ar值范围为803～1214，表现出明显的相对于空气的40Ar过剩。36Ar变化不大，介于（1.60～3.29）×10-8，40Ar浓度具有相似的特点，为（1.94～3.58）×10-5。由此结果，可以排除分析过程中空气污染的影响。

本区辉绿岩中3He/36Ar值很低，分布在（0.88～3.60）×10-4的范围内，与汉诺坝新生代玄武岩中二辉橄榄岩包体的3He/36Ar值［（0.14～1.24）×10-4］（徐胜等，1997）相近。3He/36Ar值被认为是原始同位素，地幔中非放射性成因的稀有气体是地球物质聚集过程中圈闭的原始气体。地球各圈层的3He/36Ar值变化较大，尚无定值，这与地球脱气、稀有气体起源等有关。库鲁克塔格地区辉绿岩3He/36Ar值很低，比推测的地幔的3He/36Ar值（为1）（O’Nions et al.，1994）小得多，这可能是辉绿岩形成后期改造优先丢失3He造成的。4He和40Ar是放射性成因的，目前很难给出地幔的4He/40Ar特征值。库鲁克塔格辉绿岩的4He/40Ar值为0.40～0.63，接近于估算的上地幔4He/40Ar值2～3（O’Nions et al.，1994）。

在（3He/4He）-（40Ar/36Ar）图（图1-1-7）中，可以看到He、Ar同位素特征是原始地幔和放射性成因源的混合结果，这是因为数据点基本分布在P-R混合线附近。

图1-1-7（3He/4He）-（40Ar/36Ar）关系图

P—地幔柱；A—空气；M—洋中脊地幔；R—放射性成因；C—地壳；○—本区结果

库鲁克塔格地区辉绿岩的He、Ar同位素地球化学资料表明其岩浆来源于地幔。现今He同位素组成表明为地幔来源He与放射性成因He或地壳He的混合物。氩同位素初始值还较少被关注，主要原因：一是初始氩的存在得到承认的时间较晚；二是氩初始值的变化范围很大。Kaneoka＆Takaoka（1985）对不同源区物质的40Ar/36Ar和3He/4He初始值进行了研究，区分了四种来源：大洋中脊玄武岩（MORB）、地幔热柱（Plume）、陆壳和大气。并给出四种端元组分的3He/4He、40Ar/36Ar参考值分别为1.1×10-5、2×104；6×10-5、350；4×10-7、1500；1.4×10-6、295.5。

库鲁克塔格地区基性岩脉的40Ar/36Ar初始值为507，与地幔热柱的值最接近，可能是地幔热柱成因的岩浆在上侵过程中，受到地壳物质的混染，初始值有所提高。

根据岩石样品的主元素、微量元素及其稀土元素的特征分析（Zhang Zhicheng，et al.，1998），本地区的基性岩墙群为钙碱性系列玄武岩，具有低Al2O3，高FeO*、CaO等的特点，轻稀土元素和大离子亲石元素明显富集，而部分过渡金属元素发生亏损。也反映有大量的陆壳物质熔融加入。

综上所述，库鲁克塔格基性岩墙群具有地幔热柱成因，它可能与塔里木、天山构造带发育的早二叠世裂谷作用有关。同时也暗示，上述地区的裂谷作用可能受到更深层次构造活动的控制，也许是壳幔边界活动影响的结果。

六、大地构造意义

根据岩石样品的主元素、微量元素及其稀土元素的特征分析，本地区的基性岩墙群为钙碱性系列玄武岩，具有低Al2O3，高FeO*、CaO等的特点，轻稀土元素和大离子亲石元素明显富集，而部分过渡金属元素发生亏损。

辉绿岩的3He/4He值变化不大，介于（2.03～7.1）×10-7。明显大于放射性成因的3He/4He值，远远小于地幔的3He/4He值，这说明岩石中的He同位素不是单一放射成因的。岩墙群的40Ar/36Ar值变化范围为803～1214，表现出明显的相对于空气的40Ar过剩。36Ar变化不大，介于（1.60～3.29）×10-8，40Ar浓度具有相似的特点，为（1.94～3.58）×10-5，40Ar/36Ar初始比为507。较高的40Ar/36Ar初始比值，明显高于大气氩，高于地幔羽型（P型），低于MORB型（M型），反映了深源氩的信息（Kaneoka＆Takaoka，1985），由此揭示出基性岩墙群岩浆可能源自地幔。库鲁克塔格地区辉绿岩He、Ar同位素特征是原始地幔和放射性成因源或地壳源的混合结果，它可能与塔里木、天山构造带发育的早二叠世裂谷作用有关。同时也暗示，上述地区的裂谷作用可能受到更深层次的构造活动的控制。

基性岩墙群是大规模伸展构造作用的产物（Fahrig，1987；陈孝德等，1994），固结深度一般在5～15km（陈孝德等，1983），也就是中地壳，并且严格受构造应力场的控制。早二叠世基性岩墙群的确定，反映了本区二叠纪初期大规模的伸展构造作用的存在。也与这一时期塔里木盆地其他地区的基性火山岩和岩墙群的发育时间相一致（杨树锋等，1996）。说明整个塔里木盆地的北部地区，在晚古生代末期经历了一次大规模的伸展作用。这一时期的伸展作用可能与古生代末天山造山作用隆升背景下的后伸展作用有关。同时也说明二叠纪初期至今库鲁克塔格地区隆起上升5～15km，这与本地区广泛出露前寒武系基底的地质证据相吻合。

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（张志诚 郭召杰 刘树文 刘玉林）

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