岩墙群形成于伸展构造环境，是岩浆沿上覆地壳的裂隙灌入围岩形成的板状侵入体(Emerman and Marrett, 1990；Ahijado et al., 2001；董传万等，2010)。基性岩墙群富含深部源区及成岩过程等地球动力学信息，是地壳伸展和大陆裂解的重要证据，对于古大陆重建、恢复古板块的聚合、伸展及裂解等地球动力过程具有重要作用(Ernst et al., 1995；徐义刚和钟孙霖，2001; 徐义刚，2002；刘燊等，2010；李宏博等，2012)。新疆库鲁克塔格地区广泛出露基性岩墙群，围岩是太古宙-古元古代变质岩和花岗岩。刘玉琳等(1999) 和Zhang et al.(1998) 分别在库鲁克塔格阔克苏地区测得基性岩墙群K-Ar等时线年龄为287Ma和282.3Ma。舒良树等(2005) 在库鲁克塔格北博格达山测得辉绿岩锆石U-Pb年龄为290Ma，蔡志慧(2010) 在帕尔岗布拉克测得基性岩墙群锆石U-Pb年龄为279.9Ma。邓兴梁等(2008) 测得库鲁克塔格兴地断裂附近辉绿岩墙锆石U-Pb年龄为816±15Ma。Zhang et al. 2009)测得相近位置辉绿岩墙锆石U-Pb平均年龄为773±3Ma。以上基性岩墙群的年龄数据为深入了解该区岩浆动力学过程和地球动力学演化奠定了基础，同时又指出该区可能同时存在不同年代和不同地质背景的岩墙群，需要多学科交叉来深入研究。遥感技术在岩墙群几何学研究中已得到广泛应用(EI Rakaiby, 1997；Babiker and Gudmundsson, 2004；张自力等, 2007, 2008)，岩墙群的几何学对研究岩墙侵位机制具有重要的指示意义，由于该区位置偏远，野外调查和系统采样非常困难，然而该区良好的岩墙群出露为利用遥感技术进行岩墙群几何信息提取提供了很好的条件。本文基于多源高分辨率遥感影像，对该区岩墙群进行遥感解译和几何学分析，在此基础上进行岩墙侵位时岩浆超压估算和地质意义探讨。

库鲁克塔格地区位于塔里木盆地东北缘，北以辛格尔断裂为界与南天山褶皱带相毗邻，南以孔雀河断裂与塔里木盆地相接，中有兴地断裂穿过整个库鲁克塔格地区(张志诚等，2004；张艳和孙晓猛，2010；边伟华等，2010；罗金海等，2011)。兴地断裂横贯该区，东西延伸近100km(研究区范围内)，断裂带宽数百米至千余米不等(孙晓猛等，2006)。据该区1：20万区调报告(新疆维吾尔自治区地质局，1982^①)，该断层走向280°~100°，倾向190°~195°，倾角约60°~70°，断层北盘下降并作右行扭动，断层南侧挤压破碎带发育，地层产状较陡，局部有倒转。断层东段地层走向、褶皱轴线常与断层平行，西段则呈锐角斜交。区内出露的最老地层为上太古界达格拉格布拉克群，是塔里木地台深变质结晶基底；元古界是浅变质褶皱基底。震旦系和下古生界为地台盖层，缺失上古生界和中生界，直至新生代第三纪，在研究区南部开始拗陷接受沉积。对于该地区侵入岩，以酸性侵入岩最发育，侵入时代以新元古代为主，岩体产状有岩株、岩枝，也有较大的岩基，秦切等(2012) 测得兴地Ⅳ号闪长岩体锆石U-Pb年龄为737.8Ma。但也有晚泥盆、二叠纪的岩体发现，例如张艳和孙晓猛(2010) 在辛格尔断裂以北测得泥盆纪英安岩⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄为374.7±5.9Ma，说明晚泥盆世火山岩同样分布在研究区。边伟华等(2010) 在寒武统莫合尔山组沉积地层中发现了形成于二叠纪-中三叠世的基性粗玄岩床、辉绿岩床和辉长岩床，测得K-Ar年龄分别为255.2±7.3Ma、242.8±5.7Ma以及229.7±3.7Ma。

①新疆维吾尔自治区地质局.1982. 1：20万阔克苏幅区调报告

本次研究区位于E88°00′~89°00′，W40°40′~41°20′，覆盖面积达6270km²(图 1)。由于研究区面积广，我们采用多源遥感影像相结合的方法，数据源包括Landsat 7 ETM+、SPOT、CORONA KH-4B、QuickBird2。Landsat 7 ETM+ 第8波段虽然只有15m分辨率，但由于其多光谱优势在岩性识别中发挥重要作用，对延伸较远的岩墙也可识别。CORONA KH-4B最佳分辨率达1.83m，具有很高的性价比(陈宁华等，2007)，此外在部分区域选用了0.61m的QuickBird2高分影像，用于岩墙厚度测量。图 2显示岩墙在ETM+、CORONA KH-4B和QuickBird2影像上显示的形态特征，其中CORONA KH-4B和QuickBird2高分辨率影像可以满足岩墙厚度测量精度所需。

图 1

Fig. 1

图 1 库鲁克塔格地区地质简图(据新疆维吾尔自治区地质局，1982修改)与岩墙群分布状况 Fig. 1 Geological map of Kuluketag area in Xinjiang and the distribution of dyke swarm

图 2

Fig. 2

图 2 多源遥感影像岩墙解译(a-c)及描绘(d) Fig. 2 Dyke extracted in multisource remote sensing images (a)-QuickBird2; (b)-CORONA KH-4B; (c)-ETM+; (d)-sketch of dykes

利用ENVI软件对多源遥感影像进行图像拼接、几何校正、图像增强与融合等图像处理过程后，对岩墙群进行解译，并将解译结果在ArcGIS环境下进行空间分析。

图 1显示库鲁克塔格地区岩墙主要分布在兴地断裂南北两侧，岩墙近平行排列，间距大致相等。利用多源遥感影像在该地区总共提取了2284条岩墙，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ(图 1)处分别提取342，444，237和1261条。图 3表明NW向(300°~320°)岩墙尤为发育，约占岩墙提取总量的1/4。4幅玫瑰图都显示了NW向岩墙的明显优势走向方位，与构造线斜交，但同时也显示了Ⅱ区存在分布间距均匀的NE向(40°~70°)岩墙，以及Ⅳ区规模较大的平行于构造线方向的近东西向岩墙。

图 3

Fig. 3

图 3 2284条岩墙的走向玫瑰图 Fig. 3 Rose diagram of dyke strike, total number is 2284

基性岩墙群反映地壳伸展环境，常用来恢复古应力场(Ju et al., 2013)。通过地壳伸展量的变化可以探讨岩墙群所在区域的古构造应力场变化，并分析古构造应力场与区域构造事件的关系，从而分析岩墙群形成的大地构造背景和地球动力学机制(侯贵廷，2012)。一般来说，最小主压应力(σ₃)垂直于岩墙面。岩墙群作为典型的伸展构造标志，通过其厚度统计可以计算地壳的伸展程度。本文采用伸展率(Marinoni，2001)来计算地壳伸展量，忽略岩墙倾角的影响，可近似以岩墙厚度和与剖面长度的比值来表示伸展率(Walker，1960)。

在研究区范围内共取6条剖面(图 1)，分段统计岩墙厚度并计算地壳伸展率(表 1)。库鲁克塔格地区岩墙主要为NW向延伸，故选取NE向剖面1、2、4和5，剖面3位于南站布拉克和滩北山附近，岩墙走向以NE向为主，剖面方位选择130°。滩南山和北雅尔当山一带的岩墙主要近东西展布，所以选取南北走向的剖面6。剖面1总长21.8km，从西至东依次穿过新生界地层、元古代晚期花岗岩和太古代基底，不计新生界地层覆盖，平均伸展率为4.22%。剖面2总长6.5km，切过太古代基底和元古代晚期花岗岩，平均伸展率2.60%。剖面3总长12.2km，切过元古代花岗岩以及新生界地层，平均伸展率4.92%。剖面4总长21.5km，依次切过元古代基底、晚期花岗岩、基底以及晚期红色正长岩，平均伸展率为1.83%。剖面5总长29.6km，依次切过元古代早期花岗岩、新生界地层、元古代早期和晚期花岗岩以及元古代基底，平均伸展率7.40%。剖面6总长18.1km，由南至北切过元古代晚期花岗岩和早期侵入岩，平均伸展率为12.46%。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 研究区6条剖面上的岩墙数量及地壳伸展率 Table 1 Number of dykes and percentage dilation for 6 traverses in Kuluketag 剖面 方位 段号 长度 (m) 经过岩体 岩墙数量 岩墙频率 (km-1) 平均厚度 (m) 总厚度 (m) 伸展率 (%) 1 57° 1-a 2592 新生界 0 0 0 0 0 1-b 12089 花岗岩体 113 9.3 6.8 769.1 6.80 1-c 7107 太古代 10 1.4 4.1 41.4 0.59 2 65° 2-a 5136 太古代 12 2.4 6.7 80.5 1.60 2-b 1399 花岗岩体 9 6.4 10.0 89.7 6.85 3 130° 3-a 8787 花岗岩体 112 12.7 3.7 412.1 4.92 3-b 3374 新生界 0 0 0 0 0 4 60° 4-a 1801 元古代 9 5 4.9 43.9 2.50 4-b 15282 花岗岩体 47 3.1 6.7 312.8 2.09 4-c 1729 元古代 3 1.8 3.3 9.8 5.71 4-d 2646 正长岩 5 1.9 5.1 25.6 9.78 5 65° 5-a 3677 花岗岩体 50 13.5 7.8 388.5 11.82 5-b 8679 新生界 0 0 0 0 0 5-c 13725 花岗岩体 110 8.0 8.2 898.9 7.01 5-d 3538 元古代 0 0 0 0 0 6 0° 6 18083 花岗岩体 242 13.4 8.3 2003.3 12.46

表 1 研究区6条剖面上的岩墙数量及地壳伸展率 Table 1 Number of dykes and percentage dilation for 6 traverses in Kuluketag

2284条岩墙的长度分布如图 4a所示，库鲁克塔格地区岩墙多为铁镁质，在遥感影像上常显示黑色或深绿色，一般呈线性排列，间隔较为均匀。根据统计结果，岩墙单体长90m至22.8km不等，平均长度为4.3km，岩墙长度呈对数正态分布(图 4a)。将岩墙按走向划分为0°~15°、15°~45°、45°~75°、75°~105°、105°~135°、135°~165°和165°~180°七组，分别统计这些走向区间内岩墙长度的总和(图 4b)，说明NW-SE走向岩墙的长度最大，近东西向岩墙长度次之。

图 4

Fig. 4

图 4 岩墙长度分布图(a)和岩墙走向与长度关系(b) Fig. 4 The length distribution of dykes which has a good fit to the log-normal (a) and the relationship between dyke strike and length (b)

岩浆超压对于研究岩墙侵位机制、应力场和岩浆源深度具有重要意义，是构建地幔柱相关模型的重要参数。岩墙扩展由岩浆压力(P_m)和岩石圈最小主应力(σ₃)的差值驱动，岩浆超压是深部岩浆房加压的结果并受岩石屈服强度的约束(Petcovic and Dufek, 2005；Buck et al., 2006)。岩浆超压和岩浆浮力引起深部岩墙的上升，随着岩浆房容量的减少，岩浆房压力也减小，岩浆压力、应力和岩浆容量之间可建立一定的关系(Buck et al., 2006)。岩浆超压与岩浆喷发关系密切，岩浆混合作用在喷发产物中十分常见，且普遍被认为是岩浆喷发事件的一种形成机制，Folch and Martí(1998) 基于岩浆房补给模型和岩浆超压提出了关于岩浆混合作用引发岩浆喷发的定量模型。在这些情况下，岩浆超压意义重大。岩墙的纵横比(长度/厚度)被广泛用于推测岩墙侵位时的岩浆超压，根据岩浆房破裂和岩墙侵入状态的关系，推出岩浆超压的计算公式(Gudmundsson, 2000, 2002；Babiker and Gudmundsson, 2004)：

式中，P₀是岩浆超压，b_max是岩墙的最大厚度，E是杨氏模量，L是走向长度，v是围岩的泊松率。

在研究区内均匀随机选取能够较为清晰辨认的20条岩墙，获取它们的厚度值和长度值，记录在表 2中。计算岩墙长度和厚度的比值，结果显示，纵横比值范围从197到1722，平均纵横比为676，然后利用上述公式估算岩墙侵位时的岩浆超压。

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 20条岩墙的长度/厚度比 Table 2 Length/thickness ratios of 20 selected dykes 岩墙序号 岩墙长度(m) 岩墙厚度(m) 长度/厚度 1 5552 21.8 255 2 5842 10 584 3 6240 5.9 1040 4 6310 10.4 607 5 5051 10.6 477 6 2753 9.2 299 7 4182 6.2 675 8 3152 7.5 420 9 4942 10 494 10 13977 13.8 1013 11 5151 7.2 715 12 3965 7.5 529 13 13086 7.6 1722 14 2254 10 225 15 14107 22.6 624 16 6473 8.2 789 17 16667 10 1667 18 2500 12.7 197 19 3249 6.7 485 20 6619 9.4 704

表 2 20条岩墙的长度/厚度比 Table 2 Length/thickness ratios of 20 selected dykes

库鲁克塔格地区岩墙出露处围岩大多是元古代侵入的花岗岩体，花岗岩体力学特性变化很大，最常见的杨氏模量范围约20~70GPa(Bell，2000；Babiker and Gudmundsson, 2004)，这些值基于实验条件而测量，一般比相同岩石原地测量高1.5~5倍(Heuze，1980)。依据前人研究经验，将杨氏模量设定为10~30GPa，并使用花岗岩类的通用泊松比0.25(Babiker and Gudmundsson, 2004；Kusumoto，2013)。将杨氏模量(10~30GPa)和泊松比(0.25)代入岩浆超压计算公式，利用岩墙的平均纵横比676，计算得到岩浆超压为7.9MPa(E=10GPa)~23.7MPa(E=30GPa)。

再计算岩墙纵横比为极值时的岩浆超压。表 2中最小纵横比为197，同样利用以上相同杨氏模量和泊松比，得到岩浆超压为27MPa(E=10GPa)~81.2MPa(E=30GPa)。最大纵横比为1722，得到岩浆超压为3.1MPa(E=10GPa)~9.3MPa(E=30GPa)。岩浆超压值的变化主要取决于岩墙纵横比和选取的杨氏模量，结果一般在合理界限内。

Babiker and Gudmundsson(2004) 研究的苏丹红海山年龄为130~140Ma和600~700Ma的岩墙的岩浆超压为2~20MPa，Poland et al.(2008) 研究的美国科罗拉多的第三纪岩墙的岩浆超压为从几兆帕到几十兆帕，而Kusumoto et al.(2013) 和Geshi et al.(2010) 对日本三宅岛火山估算的岩浆超压分别为2.3~8.9MPa和7~12MPa。本文估算的岩浆超压与这些研究结果的差异主要在于围岩性质的不同而选取了不同的杨氏模量。

Ernst and Buchan(2001) 发现巨型岩墙群在空间展布可指示地幔柱中心有3种模式：连续扇形、分开扇形和中心发散状。但由于后期构造运动和风化剥蚀等作用，大多岩墙群只保留理想状态的一部分(李宏博等，2012)。作为鉴别地幔柱的重要证据，目前已有许多关于放射状岩墙群的研究，例如李宏博等(2010) 在峨眉山大火成岩省研究中发现放射状岩墙群的收敛中心，指示了峨眉山二叠纪玄武岩事件的地幔柱中心位置。

新疆库鲁克塔格地区岩墙群整体分布较为均匀，分布在兴地断裂南北两侧，侵入元古代侵入岩体(包括花岗岩体和正长岩)。大多数岩墙呈NW向展布，近平行状产出，间距均匀，部分岩墙延伸受后期构造活动影响而扭曲、错动和断开。特别是兴地断裂附近的岩墙，走向发生明显变化，如兴地断裂西段南侧的岩墙走向呈现向西凸起的圆弧状。由于受断裂改造南北两侧岩墙的对应关系遭到破坏，利用岩墙受构造活动错段的现象以及其它地层的错段又可以测量断裂位移量(冯乾文等，2012)。兴地断裂两侧也存在大量小型断裂，部分岩墙延伸发生突变。我们同时在影像上发现不同走向岩墙之间有明显的穿插关系，兴地断裂以北(图 1Ⅰ区)存在两期岩墙，NW向岩墙切过NE向岩墙，NW向岩墙即张志诚等(2004) 所描述的广泛发育的产状240°∠78°的基性岩墙群，而发育更早的NE向岩墙则出露较少。

从岩墙群的全球分布来看，据李宏博等(2012) 统计，岩墙岩性以超基性-基性为主，一定程度上反映了岩墙群与地幔柱等深部岩浆作用的密切关系，如峨眉山大火成岩省岩墙群(李宏博等，2010)、加拿大Machenzie岩墙群(Ernst and Baragar, 1992；Hou et al., 2010)的形成都与地幔柱有关。地幔柱含有巨大能量会导致地幔大规模的熔融和大火成岩省的形成，大火成岩省主要为铁镁质的喷出岩和侵入岩，记录了特定时期内物质和能量从地球内部向外的迁移(徐义刚，2002)。大火成岩省和巨型放射状岩墙群已被视作判别地幔柱的重要证据，与地幔柱相关的岩墙群规模均较大，如加拿大Machenzie岩墙群延伸长度至少2100km，岩墙走向由N-S变化至NW-SE。Matachewan岩墙群从北至西北延伸长度达700km，并形成500km宽的扇形(Bates and Halls, 1991)。与巨型岩墙群相比，库鲁克塔格地区岩墙群规模较小，延伸范围仅从几十米变化至几十千米。与新疆北山地区相比，两个地区的岩墙长度分布略有不同，库鲁克塔格地区岩墙长度接近对数正态分布而北山地区岩墙长度更接近负指数分布，这可能与两个地区岩墙群剥蚀程度等因素有关。库鲁克塔格岩墙群的平均长度比北山地区岩墙群(5km)略小，但岩墙群分布密度较大，且分布较均匀。两个地区岩墙群的发育及空间分布与花岗岩均有密切联系。北山地区岩墙群以NNW-NE向为主，与构造线大角度斜交，而库鲁克塔格岩墙群以NW向为主，同时也发育一组规模较大的与构造线平行的近EW向岩墙。

目前认为裂谷形成多与地幔柱活动有关，大陆裂谷环境的岩墙群也归为地幔柱活动引起的伸展构造环境的产物(李宏博等，2012)。校培喜等(2006) 认为库鲁克塔格地区的基性岩墙群可能是北山和东天山裂谷盆地内二叠纪基性岩墙群的向外延伸，据此推测库鲁克塔格地区岩墙群的形成可能与塔里木二叠纪地幔柱活动相关。姜常义等(2005) 根据张志诚等(2004) 所测的K-Ar等时线年龄认为该区广泛发育二叠纪基性岩墙群，并进行岩石地球化学研究，在此基础上得出该区岩石圈地幔与塔里木西缘岩石圈地幔演化存在明显差异。

Zhang et al.(2009, 2011)根据部分地区基性岩墙群和围岩的年龄以及围岩与岩墙群的穿插关系认为，该区岩墙群侵入时间主要为新元古代，与罗迪尼亚超大陆裂解及其对应的地幔柱活动有关。

基性岩墙群可发育于不同的构造背景，是地壳伸展的表现，可能与地幔柱上涌有关，也可能与弧后扩张、造山后碰撞等环境有关。由于剥蚀程度的不同，岩墙出露的数量、厚度、长度等几何特征都会有所差异。库鲁克塔格地区处于塔里木克拉通和中亚造山带的关键部位，剥蚀较大，出露较完整，出露的基性岩墙群可能形成于多期和多种构造背景，其几何形态也反映了多期构造活动叠加的特征，区分各期岩墙群还需从岩石地球化学、几何学、磁组构等多方面进行细致研究。

(1) 新疆库鲁克塔格地区广泛分布基性岩墙群，在遥感影像上共提取了2284条岩墙，岩墙分布于兴地断裂南北两侧，岩墙单体长90m~22.8km，平均长4.3km，呈对数正态分布。岩墙走向以NW向(300°~320°)为主，与构造线斜交，另外有一组近EW向岩墙与构造线平行。岩墙大多侵入元古代早期和晚期的侵入岩，地壳伸展率最大可达12.46%。沿60°方向自北向南取4条剖面(1、4、2和5)，伸展率分别为4.22%、1.83%、2.60%和7.40%。

(2) 根据库鲁克塔格地区的岩墙纵横比(长度/厚度)统计，比值范围从197到1 722，平均纵横比为676，获得岩墙侵位时岩浆超压范围为7.9MPa(E=10GPa)~23.7MPa(E=30GPa)。

(3) 库鲁克塔格地区剥蚀较大，同时出露新元古代和二叠纪岩墙群，岩墙的几何形态反映了该区经历了多期构造叠加，出露的岩墙可能形成于多期及多种构造背景。