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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (9): 1620-1632  
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施璐, 唐振, 郑常青, 秦涛, 张立东, 汪岩, 钱程, 杨帆, 陈敏华. 大兴安岭中部柴河-蘑菇气地区早白垩世中性火山岩岩石成因及构造背景[J]. 地质通报, 2018, 37(9): 1620-1632.
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Shi L, Tang Z, Zheng C Q, Qin T, Zhang L D, Wang Y, Qian C, Yang F, Chen M H. Genesis and tectonic significance of the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks in Chaihe-Moguqi area, central Da Hinggan Mountains[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(9): 1620-1632.
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基金项目

中国地质调查局项目《大兴安岭成矿带突泉—翁牛特地区地质矿产调查》(编号:DD20160048)、《内蒙古1:5万楞吉曼达坂、吉日根林场外站、西马拉吐、乌兰沼、巴彦套海幅区域地质调查》(编号:DD20160048-02)和《内蒙古1:25万柴河镇、蘑菇气幅区调修测》(编号:1212011120654)

作者简介

施璐(1988-), 男, 博士, 工程师, 从事岩石学研究。E-mail:shilu880208@hotmail.com

文章历史

收稿日期: 2018-02-05
修订日期: 2018-03-08
大兴安岭中部柴河-蘑菇气地区早白垩世中性火山岩岩石成因及构造背景
施璐1 , 唐振1 , 郑常青2 , 秦涛1 , 张立东1 , 汪岩1 , 钱程1 , 杨帆1 , 陈敏华3     
1. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034;
2. 吉林大学地球科学学院, 吉林 长春 130061;
3. 赤峰吉隆矿业有限责任公司, 内蒙古 赤峰 024313
摘要: 大兴安岭中部柴河—蘑菇气地区早白垩世中性火山岩岩相学研究表明,其主要岩石组合为安山岩、英安岩、安山质晶屑凝灰熔岩、凝灰角砾熔岩等,LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果显示其形成于140~130Ma之间。岩石主量元素具有富钾钠、富铝,贫镁的特点,属高钾钙碱性岩石。相对富集轻稀土元素、亏损重稀土元素,无明显的Eu异常,微量元素主要富集大离子亲石元素(如Rb、K、LREE)和Ba、Sr元素,亏损高场强元素(Ta、Nb、P、Ti)。地球化学特征指示,这些早白垩世中性火山岩来源于新元古代和古生代期间新增生的下地壳玄武质岩石的部分熔融,并可能受到早先俯冲事件带来的流体的影响,形成于蒙古-鄂霍茨克洋闭合陆壳加厚之后的岩石圈伸展环境。
关键词: 大兴安岭中部    早白垩世    中性火山岩    岩石成因    构造背景    
Genesis and tectonic significance of the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks in Chaihe-Moguqi area, central Da Hinggan Mountains
SHI Lu1, TANG Zhen1, ZHENG Changqing2, QIN Tao1, ZHANG Lidong1, WANG Yan1, QIAN Cheng1, YANG Fan1, CHEN Minhua3     
1. Shenyang Geological Survey Center, China Geological Survey, Shenyang 110034, Liaoning, China;
2. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China;
3. Chifeng Jilong Co., LTD, Chifeng 024313, Inner mongolia, China
Abstract: In this paper, the authors studied the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks in Chaihe-Moguqi area, central Da Hinggan Mountains. The intermediate volcanic rocks consist of andesite, dacite, intermediate lava and tuff, formed from ~140 to ~130Ma. Chemical analyses show that the intermediate volcanic rocks are classified as high-K calcalkaline volcanic rocks, and are characterized by enrichment of light rare earth elements (LREEs), large ion lithophile elements (LILEs), Ba, Sr, and depletion of heavy rare earth elements (HREEs), high field strength elements (HFSEs), with no distinct Eu anomalies. All the geochemical characteristics suggest that the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks were derived from the partial melting of a juvenile lower crustal basaltic rocks, and might have been affected by the fluid caused by earlier subduction event. The authors hold that the generation of the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks was related to the lithospheric extensional setting after the final closure of the Mongol-Okhotsk Ocean and subsequent continental thickening.
Key words: central Da Hinggan Mountains    Early Cretaceous    intermediate volcanic rocks    petrogenesis    tectonic setting    

大兴安岭地区发育广泛花岗岩和火山岩,其岩石成因及构造背景一直是国内外地质学者研究的热点。最新的测年结果显示,这些花岗岩和火山岩主要形成于中生代,少数形成于新元古代和古生代,并对大兴安岭地区岩浆作用的年代学格架和地球化学属性有了一定的认识[1-3],但是由于大兴安岭地区植被覆盖严重,导致部分地区晚中生代岩浆岩的年代学和地球化学数据较缺乏,阻碍了对该区岩浆作用和区域构造演化的深刻认识。

近年来,地质工作者按岩性、岩石组合特征及区域对比,将大兴安岭中部地区晚中生代火山岩划分为南、北两部分,北部主要包括七一牧场组、吉祥峰组、上库力组、伊列克得组,南部主要包括塔木兰沟组、满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组、梅勒图组,南、北两部分火山岩岩石组合可进行对比,但是对于同一期火山岩不同岩石获得的年龄数据往往具有较大的变化范围,有的甚至相差几十百万年[4-8],表明这种划分方案的合理性仍值得商榷,或许直接用不同岩浆期次来表示不同时代的火山岩比较合理,即用晚侏罗世中基性火山岩、晚侏罗世酸性火山岩、早白垩世中性火山岩、早白垩世酸性火山岩等分别代表不同时代的火山岩。

本次选取大兴安岭中部柴河—蘑菇气地区出露的早白垩世中性火山岩,在野外调查和岩相学研究的基础上,通过岩石学、年代学、岩石地球化学等的系统研究,确定大兴安岭中部柴河—蘑菇气地区早白垩世中性火山岩的岩石成因特点,探讨其反映的区域构造背景。

1 地质背景及样品描述

大兴安岭位于中亚造山带东段,大地构造位置处于西伯利亚板块和华北板块之间(图 1[9],其古生代经历了多个微陆块碰撞拼合时期[10-14],构造演化与古亚洲洋的闭合密切相关,中、新生代受太平洋构造域和蒙古-鄂霍茨克构造域的叠加和改造。

图 1 研究区大地构造位置(据参考文献[9]修改) Fig.1 Tectonic map of Chaihe-Moguqi area in central Da Hinggan Mountains F1—牡丹江断裂;F2—敦化-密山断裂;F3—伊通-佳木斯断裂;F4—西拉木伦-长春-延吉断裂;F5—贺根山-扎兰屯-黑河断裂;F6—塔源-喜桂图断裂;F7—得尔布干断裂

柴河—蘑菇气地区位于大兴安岭中部,晚中生代侏罗纪—白垩纪以陆相火山岩地层和陆相碎屑沉积岩地层为主,主要包括中侏罗世万宝组、晚侏罗世塔木兰沟组、木瑞组、满克头鄂博组和早白垩世玛尼吐组、白音高老组、梅勒图组、大磨拐河组。其中早白垩世玛尼吐组以中性火山岩及火山碎屑岩为主,主要分布在天池、蛤蟆沟、柴河、新立屯、蘑菇气、中和、山泉等地区(图 2),主要岩性有灰绿色-灰紫色安山岩(图 3)、英安岩、安山质晶屑凝灰熔岩、凝灰角砾熔岩等。

图 2 大兴安岭中部柴河—蘑菇气地区地质简图 Fig.2 Geological sketch map of the Chaihe-Moguqi area, central Da Hinggan Mountains
图 3 早白垩世中性火山岩安山岩手标本(a)及显微照片(b)(Pl—斜长石) Fig.3 Hand specimen(a) and microscopic photographs(b) for the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks
2 分析方法

锆石用重液和磁选相结合从粉碎的岩石样品中分选出来,再在双目镜下提纯。锆石被嵌于树脂样靶中并抛光,之后渡上50nm厚的纯金。阴极发光(CL)图像在中国地质科学院北京离子探针中心制成,主要是查明锆石内部结构,以便准确选点。锆石U-Pb定年在天津地质矿产研究所完成。测试仪器为NEPTUNE多接收器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)和氟化氩准分子激光剥蚀系统(NEW WAVE 193nm FX)联机[15]。激光剥蚀斑束直径为35μm,激光剥蚀样品的深度为20~40μm。实验中采用氦作为剥蚀物质的载气。锆石年龄计算采用源自澳大利亚Macquarie大学的标准锆石GJ-1作为外标,元素含量采用人工合成玻璃NIST SRM610作为外标[16]。具体实验操作流程见参考文献[17]。样品的同位素比值和元素含量处理采用Glitter(ver4.0)程序计算,普通Pb采用Anderson的3D坐标法校正[18],年龄加权平均值及谐和图采用Isoplot(v. 3.00)[19]绘制。单个测试点的同位素比值和同位素年龄误差为1σ,206Pb/238U年龄加权平均值置信度为95%。

样品的主量和微量元素分析在天津地质矿产研究所和自然资源部哈尔滨矿产资源监督测试中心完成。挑选新鲜未风化样品洗净、烘干后,用玛瑙研钵研磨至200目的粉末,用于主量和微量元素分析。主量元素采用X射线荧光光谱分析(XRF),微量元素的分析采用等离子质谱法(ICP-MS)完成,详细的主量、微量元素分析实验原理和分析步骤见参考文献[20]。

在LA-ICP-MS锆石U-Pb定年的基础上,进行了锆石原位Hf同位素测定工作。锆石原位Hf同位素分析在天津地质矿产研究所完成,测试仪器为NEPTUNE多接收器电感耦合等离子体质谱仪和氟化氩准分子激光剥蚀系统联机,激光束斑直径为50μm。详细的分析方法见参考文献[15]。分析过程中标准锆石GJ-1的176Hf/177Hf值为0.282000 ± 0.000040。用实验测得的176Hf/177Hf和176Lu/177Hf值计算初始176Hf/177Hf值。176Lu的半衰期采用1.865× 10-11/a[21]。计算εHf(t)值时采用的现在的(176Hf/177Hf)DM和(176Lu/177Hf)DM值分别为0.28325和0.0384[22]。Hf模式年龄的计算见参考文献[22-24]。

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb定年

样品Z11-84岩性为安山质角砾凝灰熔岩,共24个锆石分析点,分析结果见表 1。锆石多为短柱状和粒状,少数为长柱状,粒度为50~200μm,长宽比为1:1~3:1。CL图像显示(图 4-a),这些锆石内部具有典型的环带结构,Th/U值为0.65~1.10,指示这些锆石属于岩浆锆石。在锆石U-Pb谐和图(图 4-b)中,样品Z11-84的锆石U-Pb年龄测定数据点全部位于谐和线上及其附近,206Pb/238U年龄加权平均值为139±1Ma(MSWD=0.59),时代为早白垩世,代表了安山质角砾凝灰熔岩的形成年龄。

表 1 研究区早白垩世中性火山岩测年结果 Table 1 Data of zircons for the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks in study area
图 4 早白垩世中性火山岩锆石阴极发光(CL)图像(a)及U-Pb年龄谐和图(b)(实线圈表示U-Pb同位素打点位置,虚线圈表示Lu-Hf分析点位置) Fig.4 CL images (a) and U-Pb concordia diagram(b) of zircons for the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks

结合笔者收集的年龄数据(表 2)可知,研究区早白垩世中性火山岩的形成年龄介于140~130Ma之间。

表 2 早白垩世中性火山岩测年数据 Table 2 Age statistics for the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks
3.2 主量和微量元素

研究区早白垩世中性火山岩的主量和微量元素分析结果见表 3。早白垩世中性火山岩SiO2含量在55.1%~69.1%之间,TiO2含量介于0.39%~1.68%之间,Al2O3含量较高,在14.8%~18%之间,TFeO含量介于3.62% ~7.83%之间,MgO含量低,在0.45% ~ 3.74%之间,CaO含量较高,介于1.16%~6.57%之间,Na2O含量在1.73%~4.72%之间,K2O含量在1.66%~ 4.84%之间,整体为一套富钾钠、富铝,贫镁的岩石。在TAS图解(图 5)中,主要落在安山岩、粗面岩(标准矿物石英含量小于20%)内,属亚碱性系列,含铝指数A/CNK为0.80~1.13,属准铝质到弱过铝质岩石;在岩浆系列判别图解(图 6)中,主要落在高钾钙碱性系列。

表 3 早白垩世中性火山岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 3 Major, trace and rare earth elements analyses of the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks
图 5 早白垩世中性火山岩TAS图解 Fig.5 TAS diagram for the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks
图 6 早白垩世中性火山岩SiO2-K2O岩石系列判别图 Fig.6 SiO2-K2O diagram for the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks

早白垩世中性火山岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 7-a)显示,样品主要富集大离子亲石元素(如Rb、K、LREE)和Ba、Sr元素,亏损高场强元素(如Ta、Nb、P、Ti),是壳源岩浆或岩浆被地壳物质混染的典型特征。

图 7 早白垩世中性火山岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(a)和球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(b) Fig.7 Primitive mantle-normalized trace element spider diagrams(a) and chondrite-normalized REE patterns(b) for the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks (球粒陨石标准化值据参考文献[25];原始地幔标准化值据参考文献[26])

稀土元素总量(ΣREE)在133.71 × 10-6~ 347.97×10-6之间,平均值为175.22×10-6,轻、重稀土元素比值LREE/HREE在6.45~11.43之间,平均值为9.09,轻、重稀土元素分馏明显,分馏系数(La/Yb)N介于6.50~15.70之间,平均值为9.89。球粒陨石标准化蛛网图(图 7-b)中,均呈右倾配分曲线模式,轻稀土元素富集、重稀土元素亏损,无明显Eu异常,δEu值介于0.72~1.17之间,平均值为0.91。

3.3 锆石原位Hf同位素

在LA-ICP-MS锆石U-Pb定年的基础上,对早白垩世中性火山岩(Z11-84)进行了锆石原位Hf同位素分析,分析结果列于表 4

表 4 早白垩世中性火山岩锆石原位Hf同位素分析结果 Table 4 In situ zircon Hf isotopic compositions of the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks

碾子山北部早白垩世安山质角砾凝灰岩(Z11-84)中19颗锆石的初始176Hf/177Hf值为0.282863~ 0.282997,εHf(t)值介于+6.21~+10.91之间,其加权平均值为+8.96±0.71,单阶段模式年龄(TDM1)和二阶段模式年龄(TDM2)变化范围分别为359~553Ma和448~714Ma。

由上可见,研究区早白垩世中性火山岩的锆石εHf(t)值均为正值,且具有年轻的二阶段模式年龄(TDM2),二阶段Hf模式年龄集中在新元古代和古生代。在t-εHf(t)图解(图 8)上[27],数据点全部落在球粒陨石演化线和亏损地幔演化线之间,同时落入兴蒙造山带东段范围内,说明早白垩世中性火山岩为地幔来源或来自新增生的年轻地壳物质,与中亚造山带内显生宙火成岩的Hf同位素组成相似[28-29]

图 8 早白垩世火山岩t-εHf(t)图 Fig.8 t-εHf(t) diagrams for the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks
4 讨论 4.1 早白垩世中性火山岩的岩石成因

研究区早白垩世中性火山岩化学成分显示主要为安山岩、粗面岩等,主量元素总体呈现富钾钠、富铝、贫镁的特征,为准铝质-弱过铝质、高钾钙碱性岩石。研究表明,粗面质火山岩的成因主要包括玄武质岩浆的分异作用[30-32]、玄武质岩浆与流纹质岩浆的混合作用[33-34]和镁铁质地壳熔融[4, 35] 3种观点。研究区早白垩世中性火山岩中铁族元素Cr含量为3.21×10-6~30.20×10-6,远低于地幔橄榄岩源区部分熔融形成的原始玄武质岩浆(Cr=500×10-6~ 600×10-6),且在研究区缺乏同时期的基性岩,因此玄武质岩浆的分异作用很难解释本区大范围分布的中性火山岩。在La-La/Sm图解(图 9)中,早白垩世中性火山岩的La/Sm值与La呈正相关性,表明其为部分熔融形成。

图 9 早白垩世中性火山岩La -La/Sm图解 Fig.9 La-La/Sm diagram for the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks

早白垩世中性火山岩富集大离子亲石元素(如Rb、K、LREE)和Ba、Sr元素,亏损高场强元素(如Ta、Nb、P、Ti);富集轻稀土元素(LREE)、亏损重稀土元素(HREE);Ce/Pb值主要介于2.87~4.10之间,平均值为3.36,与地壳平均值3.3相近[36];La/Nb值为2.85~4.24(平均值为3.52),明显高于原始地幔(0.94),接近陆壳的比值(2.2)。这些特征指示,早白垩世中性火山岩应该来源于下地壳岩石的部分熔融。研究区早白垩世安山质角砾凝灰岩(Z11-84)的锆石εHf(t)值均为正值(+6.21~+10.91),且具有年轻的二阶段模式年龄(TDM2=448~714Ma),二阶段Hf模式年龄集中在新元古代和古生代,与大兴安岭中部晚中生代安山岩的Sr-Nd同位素特征(具有低的Sr初始比值和正的εNd(t)值)一致[37],表明早白垩世中性火山岩的岩浆源区主要为地幔或新元古代和古生代期间从地幔新增生的地壳物质。Nb/Ta值集中在13.52~19.68(平均值为16.47),接近球粒陨石和原始地幔的平均值(17.5)[38-39],而高于地壳的Nb/Ta平均值(12~13)[40];Zr/Hf值集中在34.77~ 41.71(平均值为37.40),高于地壳的Zr/Hf平均值(33)[41],与地幔的平均值(37)接近[42],也反映了岩浆源区为从亏损地幔新增生的下地壳物质,所以保留了地幔的部分微量元素的特点。

研究区早白垩世中性火山岩的SiO2含量为55.1%~69.1%,Al2O3为14.8%~18%,MgO为0.45%~ 3.74%,Y为15.4×10-6~31×10-6,Yb为1.62×10-6~ 2.83×10-6,Sr为388×10-6~1480×10-6,无负Eu异常,这些地球化学特征与埃达克岩接近[43-44]。在Yb-Sr/Yb图解(图 10[45]中,早白垩世中性火山岩部分样品也落入埃达克岩的区域内,结合其K2O的含量为1.66%~4.84%,平均值为3.26%,应为C型埃达克岩,而C型埃达克岩通常认为是玄武质岩浆底侵加厚的地壳底部引起下地壳部分熔融形成的[46]。早白垩世中性火山岩的Nb含量为6.34×10-6~17.20×10-6(平均值为8.68×10-6),Y含量为15.4×10-6~31×10-6(平均值为20.78×10-6),Zr/Y值为7.31~17.47(平均值为11.81),Rb/Sr值为0.04~0.24(平均值为0.13),Ba/Rb值主要集中在10.24~16.85(平均值为12.22),Ba/Sr值为0.80~2.63(平均值为1.60),这些微量元素特征均反映了研究区早白垩世中性火山岩与安第斯地区安山岩和大陆岛弧安山岩相似(表 5),可能与早先俯冲事件带来的流体影响有关[37]。综上所述,研究区早白垩世中性火山岩岩浆源区应为新元古代和古生代期间新增生的下地壳玄武质岩石的部分熔融,并可能受到早先俯冲事件带来的流体的影响。

图 10 早白垩世中性火山岩Yb -Sr/Yb图解 Fig.10 Yb-Sr/Yb diagram for the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks
表 5 早白垩世中性火山岩微量元素特征与不同构造环境安山岩对比[37] Table 5 Trace element characteristics of the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks and a comparison with andesites
4.2 早白垩世中性火山岩形成的构造背景

从侏罗纪开始,东北地区的构造格架与其前期历史相比发生了深刻的变化,由东西向构造转变为北东向和北北东向构造,进入环太平洋构造体系和蒙古-鄂霍茨克构造体系的演化阶段[47-48]。对于东北地区大面积晚中生代岩浆岩形成时的构造背景探讨也一直存在争议,主要观点有以下4种:①与地幔柱构造有关[49-51];②与蒙古鄂霍茨克洋的闭合和造山后垮塌有关[52-53];③与古太平洋板块的俯冲作用有关[7, 54];④与蒙古-鄂霍茨克洋闭合和古太平洋俯冲的共同作用有关[5, 55-56]

研究发现,大兴安岭及其邻区并不存在环状火山岩带,同时中生代火山岩的形成时代范围较大,因此与喷发周期较短的地幔柱构造有关的作用模式很难解释中生代火山岩的时空分布问题[52, 57]。吉黑东部早—中侏罗世(173~190Ma)钙碱性火山岩组合的发现[58-59]和小兴安岭—张广才岭地区同时期双峰式火成岩组合的存在[55, 60-61],表明早侏罗世古太平洋板块向亚洲大陆斜向俯冲,吉黑东部早中侏罗世岩浆作用应该与本次俯冲事件有关。同时,对于吉黑东部火山岩的年代学研究显示,该区尚未发现164~140Ma的火山岩年龄,而145~130Ma的岩浆活动主要分布于松辽盆地以西的大兴安岭及满洲里地区[1, 4, 62-66],表明古太平洋板块的俯冲在中侏罗世晚期—早白垩世早期存在一个间歇期[47],暗示大兴安岭地区中侏罗世—早白垩世早期的岩浆作用与古太平洋板块的俯冲作用无关。早期由于蒙古-鄂霍茨克洋构造演化的研究程度较低,并且通常认为仅存在西伯利亚南缘的北向俯冲[67],而东北地区北缘则处于被动大陆边缘环境,因此很难将大兴安岭地区晚中生代的岩浆活动与蒙古-鄂霍茨克洋的演化联系到一起。近年来,随着蒙古-鄂霍茨克洋缝合带研究程度的提高,尤其是蒙古-鄂霍茨克洋存在向南俯冲的确定[68-70],越来越多的学者认为,大兴安岭地区晚中生代的岩浆活动应与蒙古-鄂霍茨克洋的闭合和造山后垮塌有关[53, 57]

在(Y+Nb)-Rb构造环境判别图解(图 11)中[71],早白垩世中性火山岩落入后碰撞构造环境。早白垩世早期中性火山岩中部分样品具有C型埃达克岩的特点,表明研究区经历了陆壳加厚的过程。综上所述,大兴安岭中部柴河—蘑菇气地区早白垩世中性火山岩的形成与蒙古-鄂霍茨克洋闭合陆壳加厚之后的岩石圈伸展环境有关。

图 11 早白垩世中性火山岩(Y+Nb)-Rb构造环境判别图 Fig.11 (Y+Nb)-Rb discrimination diagram for the Early Cretaceous intermediate volcanic rocks VAG—火山弧花岗岩;ORG—洋中脊花岗岩;WPG—板内花岗岩;syn-COLG—同碰撞花岗岩;post-COLG—后碰撞花岗岩
5 结论

通过对大兴安岭中部柴河—蘑菇气地区中性火山岩的岩相学、锆石U-Pb年代学、岩石地球化学和锆石原位Hf同位素研究,可以得出如下结论:大兴安岭中部柴河—蘑菇气地区早白垩世中性火山岩的形成年龄介于140~130Ma之间,岩浆源区应为新元古代和古生代期间新增生的下地壳玄武质岩石的部分熔融,并可能受到早先的俯冲事件带来的流体的影响,形成于蒙古-鄂霍茨克洋闭合陆壳加厚之后的岩石圈伸展环境。

致谢: 感谢审稿专家对本文提出的宝贵意见。

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