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文檔簡介
大興安嶺北段火山巖年代學(xué)研究
1火山巖形成時代影響大興安嶺中生代火山巖科學(xué)研究的主要限制因素是火山巖年代學(xué)。首先,由于以往山地定年方法(k-ar、單鋯u-pb、全巖rb-sr等時間線)的限制,無法在火山巖時代進行測量。其次,晚侏羅世和早白堊世之間的年齡邊界沒有統(tǒng)一。許多中國科學(xué)家認為,135年是邊界,但現(xiàn)在國際上是145.140米。這導(dǎo)致了同一個火山巖群體的早白堊世和晚侏羅世之間的競爭。但最重要的是采用先進的定年方法,給該火山巖以精確的年齡值。實踐證明火山熔巖是快速冷卻形成,火山巖基質(zhì)Ar-Ar法是最理想的定年方法。我們課題組對大興安嶺北段中生代火山巖進行了大量而精確的年代學(xué)測定(即以火山巖基質(zhì)Ar-Ar法為主,火山巖鋯石SHRIMPU-Pb法為輔),結(jié)果表明大興安嶺地區(qū)火山巖主體年齡小于140Ma,即均為早白堊世,而晚侏羅世火山巖僅分布于大興安嶺的西部(Wangetal.,2006)。通過對大興安嶺北段根河地區(qū)火山巖的Ar-Ar年齡測定(Wangetal.,2006),表明這套火山巖時代為140~115Ma,即相當(dāng)于早白堊世,按主噴發(fā)期可明顯分為3個(140Ma、125Ma和115Ma)火山旋回。本文是在取得火山巖年齡的基礎(chǔ)上,對這套火山熔巖的元素和同位素地球化學(xué)進行系統(tǒng)測定,以進一步獲得對大興安嶺北段早白堊世火山巖深部源區(qū)和構(gòu)造-巖漿演化等方面的認識。2地質(zhì)觀察和組成分析根河火山巖區(qū)位于蒙古-鄂霍茨克??p合-造山帶的南側(cè)、大興安嶺北段海拉爾盆地西北緣(圖1)。大興安嶺北段晚中生代火山活動強烈,廣泛分布晚侏羅世-早白堊世陸相中基性和中酸性火山巖,自下而上依次為上侏羅統(tǒng)塔木蘭溝組、和下白堊統(tǒng)吉祥峰組、上庫力組和伊列克得組。主要巖石類型為玄武巖、玄武安山巖、安山巖、粗面安山巖、粗面巖、英安巖、流紋巖和凝灰?guī)r(林強等,1998,2003;葛文春等,1999,2001;呂志成等,2000,2001;尹志剛等,2006)。我們沿根河西岸火山巖剖面(圖2)進行了系統(tǒng)的地質(zhì)觀察。這套火山巖產(chǎn)狀平緩,傾向北東,傾角10°~30°。剖面巖性主要以中基性火山熔巖為主,局部見酸性熔巖。從火山巖剖面看,火山噴發(fā)具多旋回性,結(jié)合火山巖Ar-Ar年代學(xué)研究(Wangetal.,2006),初步將該火山巖剖面劃分為下、中和上三部分(或3個火山旋回,圖2)。初步研究表明該火山巖剖面主要由堿性系列的粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗安巖、粗安巖,和具堿性-亞堿性過渡系列的粗面巖、流紋巖組成。粗面玄武巖的新鮮巖石呈黑、暗灰黑色,塊狀構(gòu)造,斑狀結(jié)構(gòu);斑晶約占10%~20%,主要為斜長石、堿性長石(正長石)、橄欖石和透輝石,個別橄欖石具有單斜輝石反應(yīng)邊;基質(zhì)為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),約占80%~90%,主要由斜長石和暗色礦物組成。杏仁成分為硅質(zhì)或綠泥石。粗安巖的新鮮巖石呈灰黑、暗灰色,氣孔、杏仁狀構(gòu)造,斑狀結(jié)構(gòu),多斑、聚斑可見;斑晶約占20%,主要為斜長石、堿性長石、單斜輝石和透輝石,偶見黑云母和角閃石,部分斜長石環(huán)帶構(gòu)造發(fā)育;基質(zhì)為粗面和?;豢椊Y(jié)構(gòu),約占70%~80%,主要由長石、輝石微晶、部分隱晶質(zhì)和暗色玻璃質(zhì)組成。副礦物為磷灰石、鈦鐵礦和磁鐵礦等。杏仁成分為綠泥石和碳酸鹽。粗面巖的新鮮巖石呈灰黑和灰色,氣孔杏仁狀構(gòu)造,斑狀結(jié)構(gòu)。斑晶約占10%~20%,主要為斜長石、堿性長石和黑云母,見有少量的透輝石;基質(zhì)為粗面結(jié)構(gòu)和?;豢椊Y(jié)構(gòu),約占80%~90%,主要為長石微晶、黑云母和輝石的蝕變殘余;副礦物主要為磷灰石和磁鐵礦等。流紋巖的新鮮巖石呈灰白、棕黃色,流紋構(gòu)造,斑狀結(jié)構(gòu)。斑晶主要為石英、斜長石和堿性長石;基質(zhì)為霏細-交織者居多,主要為斜長石、堿性長石、石英的隱晶和長英質(zhì)集合體;副礦物為磁鐵礦和鋯石等。3分析方法及過程本次分析樣品采自于額爾古鈉和根河市之間的根河西岸,所有樣品均為火山熔巖。選擇13件不同層位和不同巖性的樣品分別進行主量、微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析。所有樣品測試工作由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室完成。主量元素使用X-射線熒光光譜儀(XRF-1500)測試,分析誤差優(yōu)于5%。微量元素及稀土元素利用酸溶法制備樣品,使用ICP-MS(ElementII)測試,分析精度為:當(dāng)元素含量大于10×10-6時,精度優(yōu)于5%,當(dāng)含量小于10×10-6時,精度優(yōu)于10%。Rb、Sr、Sm、Nd和Pb同位素組成在MAT-262和熱電離質(zhì)譜計(TIMS)上完成,化學(xué)分析和同位素比值測試流程參考Chenetal.(2000,2002)介紹的方法。Hf同位素數(shù)據(jù)測試在新引進的NeptuneMC-ICP-MS上進行,并使用179Hf/177Hf=0.7325和JMC475標(biāo)準的176Hf/177Hf=0.282160進行質(zhì)量分餾和外部校正,其Hf同位素化學(xué)分離和同位素比值測試分別按李獻華等(2005)和徐平等(2004)報道的流程進行。4分析的結(jié)果4.1剖面位置及巖漿碳源利用的特征大興安嶺根河西岸火山巖剖面主量元素分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)列于表1。在火山巖SiO2-Na2O+K2O(TAS)分類圖(圖3)上,可見剖面下部巖性為玄武質(zhì)粗安巖、粗安巖;中部為粗面巖、流紋巖、個別粗安巖;上部為粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗安巖和粗安巖。從主量元素分析結(jié)果(表1)看,剖面下部玄武質(zhì)粗安巖和粗安巖SiO2含量介于52.63%~55.83%之間,具有高鋁(Al2O3變化范圍在15.90%~18.38%之間)、高鉀(K2O組成為2.14%~3.79%)的特點,CaO(3.27%~6.37%),MgO(2.71%~4.59%)和Mg#(0.44~0.55)相對較高,而Na2O(3.43%~6.13%)、TiO2(1.13%~1.33%)相對較低,全鐵(FeOT)含量介于5.71%~9.65%之間。剖面中下部粗面巖SiO2含量介于60.96%~66.80%之間,同樣具有高鋁(Al2O3為16.23%~17.45%)、高鉀(K2O為0.90%~4.89%)的特點,與下部火山巖相比,Na2O、全堿含量略有升高,CaO含量略有降低,TiO2、FeOT、Mg0的含量和Mg#降低比較明顯。剖面中上部的流紋巖,具有較高的SiO2(71.68%~76.93%)和全堿(9.07%~10.44%)的含量,相對低的Al2O3(12.35%~14.48%)、FeOT(0.51%~1.51%)、MgO(0.01%~0.24%)含量和Mg#(0.04~0.25)。剖面上部的粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗安巖和粗安巖,SiO2含量介于49.76%~58.37%之間,與剖面下部基性火山巖相比,同具有高鋁(16.13%~17.57%)、高鉀(2.23%~3.46%)的特點,相似的TiO2(1.16%~1.68%)、Na20(3.05%~5.01%)、全堿(5.77%~8.47%)和FeOT(6.61%~8.87%)含量,不同的是CaO(3.84%~7.94%)、MgO(1.46%~5.27%)的含量和Mg#(0.32~0.56)更低。其中粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗安巖和粗安巖之間的MgO含量和Mg#值變化較為明顯,反映巖漿演化過程中經(jīng)歷了一定的分離結(jié)晶作用。在Harker圖解(圖4)上,剖面下部的玄武質(zhì)粗安巖和粗安巖、中部的粗面巖和流紋巖和上部的粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗安巖及粗安巖的SiO2與大多數(shù)常量元素具有較好的相關(guān)性,總體上SiO2與K2O和Na2O呈現(xiàn)較好的正相關(guān),與TiO2、Al2O3、FeOT、CaO、MgO和MnO呈現(xiàn)較好的負相關(guān),反映巖漿分離結(jié)晶演化趨勢。剖面下部和上部的中基性火山巖隨著巖漿的演化,SiO2含量增加,K20/P205比值(4~9)、K2O/TiO2比值(1~3)變化較弱,甚至表現(xiàn)負相關(guān)趨勢,這反映了在巖漿演化過程中地殼混染作用的影響較小。根據(jù)CIPW計算結(jié)果,根河地區(qū)火山巖共22件樣品中的標(biāo)準礦物組成:標(biāo)準石英(Q)0%~36.95%、鈣長石(An)0.69%~25.80%、鈉長石(Ab)21.01%~54.33%、正長石(Or)5.48%~39.50%、紫蘇輝石(Hy)0~9.25%。基性巖含標(biāo)準橄欖石(O1)6.06%~8.97%,酸性巖石樣品含標(biāo)準剛玉(C)2.47%~2.97%。副礦物中鈦鐵礦(Il)含量為0.31%~3.29%、磁鐵礦(Mt)為0.35%~6.17%和磷灰石(Ap)為0.02%~1.52%,部分火山巖樣品有極少數(shù)的赤鐵礦(Hm)、鋯石(Zr)、鉻鐵礦(Cm)。4.2中部中基性火山巖根河地區(qū)火山巖剖面微量和稀土元素組成測試結(jié)果及相關(guān)參數(shù)列于表2。從稀土元素分析數(shù)據(jù)中可以看出剖面火山巖稀土元素總量(∑REE)為123.56×10-6~285.74×10-6,基性、中基性和酸性火山巖均具有稀土元素總量偏高的特點。在球粒隕石標(biāo)準化的稀土元素配分曲線圖(圖5)上,剖面下、上部的基性、中基性火山巖表現(xiàn)出相似的變化趨勢(圖5A、D),中部的基性、酸性火山巖表現(xiàn)出相似的變化趨勢(圖5B、C),同時剖面火山巖都具有輕稀土(LREE)富集的右傾特征,(Ce/Yb)N比值為12.32~21.73,輕重稀土元素分餾較強,(La/Yb)N為7.92~39.52。剖面下部玄武質(zhì)粗安巖、粗安巖δEu值為0.83~1.00;中部粗面巖δEu值為0.49~0.98;上部粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗安巖、粗安巖δEu值為0.85~0.95,可見基性、中基性火山巖表現(xiàn)極弱Eu負異常,甚至無Eu異常,而中部流紋巖δEu為0.16~0.85,表現(xiàn)出強烈的負Eu異常。從火山巖剖面不相容元素蛛網(wǎng)圖(圖5),可見剖面下部的中基性火山巖與上部基性、中基性火山巖具有相似的微量元素特征(圖5a、d),富集Rb、Ba、K等大離子親石元素(LILE),虧損Nb、Ta、Ti等高場強元素(HFSE),且Nb、Ta強烈虧損,所不同的是下部火山巖的Sr、U表現(xiàn)負異常,而上部火山巖的Sr、U則表現(xiàn)正異常。剖面中部中基性、酸性火山巖具有相似的微量元素特征(圖5b、c),具有富集Rb、K等LILE而虧損Nb、Ta、Ti等HFSE特點,不同的是粗面巖的Sr、Ba表現(xiàn)出弱富集,Nb、Ta表現(xiàn)強烈虧損,而流紋巖的Sr、Ba表現(xiàn)出強烈虧損,Nb、Ta表現(xiàn)出的虧損相對較弱?;院椭谢曰鹕綆r的La/Sm隨著巖漿演化,La含量的增加而變化的范圍為4.13~7.68×10-6,變化幅度均較弱,暗示沒有受到陸殼物質(zhì)的影響,分離結(jié)晶作用是巖漿上升演化過程中的主要控制因素。而中部酸性火山巖La/Sm的變化的范圍為6.84-9.74,較基性和中基性火山巖La/Sm明顯升高,可能與不同的巖漿源區(qū)有關(guān)。剖面下、中、上部的基性和中基性火山巖的Ba/Nb比值變化幅度大(分別為64.05~128.28、130.06~189.13和33.87~239.57,表2),而Ce/Nb比值變化幅度小(分別為7.50~10.70、9.35~9.93和5.09~9.48,表2),反映其源區(qū)特征與流體交代作用趨勢特征相近,同時(Nb/La)N比值變化范圍分別為0.08~0.12、0.09~0.18和0.09~0.10,遠小于1,Th/Ta比值(5.08~8.63、15.37~16.41和3.49~6.48)、Th/Nb比值(0.33~0.78、1.47~1.55和0.28-0.45)高,這種特征也較好地反映了源區(qū)受俯沖流體交代作用的影響(Wilson,1989;PearceandPeate,1995;Elliottetal.,1997)。4.3nd-hf同位素體系火山巖樣品Sr-Nd-Hf-Pb同位素組成測試結(jié)果列于表3。本文采用140Ma,125Ma和115Ma分別來計算根河地區(qū)早白堊世剖面下部和中、上部火山巖的(87Sr/86Sr)i、εNd(t)和εHf(t)值。剖面下部中基性火山巖(87Sr/86Sr)i、εNd(t)值變化范圍分別為0.7047~0.7059和1.7~2.1;中部中酸性、酸性火山巖分別為0.7050~0.7419和0.86~1.33;上部火山巖分別為0.7046~0.7052和1.1~3.6。Sr、Nd同位素組成特征表明剖面火山巖源區(qū)Sr同位素具有一定程度的富集,Nd同位素具有輕度虧損的特點。在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i圖解(圖6A)中、基性和中基性火山巖投在洋脊玄武巖(OIB)區(qū)域內(nèi),沿地幔陣列分布,反映了火山巖源區(qū)可能為巖石圈地幔。與Sr-Nd同位素體系類似,在部分熔融過程中由于Hf較Lu更容易進入熔體,在地幔部分熔融過程中造成虧損地幔中高Lu/Hf比值,而產(chǎn)生的熔體由于具有低Lu/Hf比值,放射性成因Hf和Nd同位素組成也存在差異性(Griffinal.,2000)。本文研究表明火山巖剖面下部樣品176Hf/177Hf為0.28285~0.28288、εHf(t)為2.9~3.3;中部流紋巖樣品176Hf/177Hf為0.28286、εHf(t)為3.2;上部剖面樣品176Hf/177Hf為0.28285-0.28294、εHf(t)為2.9~5.8??梢钥闯?火山巖剖面的下部、中部和上部176Hf/177Hf和εHf(t)均變化不大,且比值相近,尤其是中部流紋巖的176Hf/177Hf和εHf(t)與下、上部基性、中基性火山巖相近。在εNd(t)-εHf(t)圖解(圖6B)樣品均落在OIB區(qū)域內(nèi),并有向MORB演化的趨勢,指示剖面火山巖的源區(qū)可能為巖石圈地幔,流紋巖與下部基性、中基性火山巖具有相似的173Hf/177Hf和εHf(t),具有同源巖漿演化的特點。剖面火山巖206Pb/204Pb范圍為18.3241~18.6464,207Pb/204Pb范圍為15.4777~15.5744,208Pb/204Pb范圍為38.0423~38.6119。下和上部中基性火山巖與中部流紋巖Pb同位素組成變化不明顯。在208Pb/204Pb-206Pb/204Pb和207Pb/204Pb-206Pb/204Pb圖解上(圖7),樣品幾乎全部都投于MORB區(qū)域內(nèi),同樣指示其源區(qū)為虧損地幔源區(qū)的特征。5討論5.1nd和hf同位素組成研究區(qū)基性和中基性火山巖具有相似的微量元素特征,富集Rb、Ba、K等大離子親石元素(LILE),虧損Nb、Ta、Ti等高場強元素(HFSE),HFSE相對于LREE強烈虧損((Nb/La)N=0.08~0.18),暗示剖面火山巖不可能是由洋島玄武巖或MORB成分的巖漿經(jīng)歷陸殼混染的結(jié)果,而可能是由于早期俯沖洋殼物質(zhì)在深部發(fā)生脫水并交代了仰沖的地幔楔,導(dǎo)致該地幔源區(qū)相對富集LILE而虧損HFSE,在這種地幔源區(qū)巖漿產(chǎn)生的火山巖同樣繼承了相對富集LILE而虧損HFSE的性質(zhì)。同時剖面下部基性、中基性巖(87Sr/86Sr)i值變化范圍為0.704706~0.705907、εNd(t)值為1.73~2.12、εHf(t)值為2.9~3.3;剖面中部中酸性巖(87Sr/86Sr)i變化范圍為0.704970~0.705180,εNd(t)值為0.86~1.26,酸性巖(87Sr/86Sr)i變化范圍為0.707576~0.741918、εNd(t)值為0.97~1.33、εHf(t)值為3.2;上部基性、中基性巖(87Sr/86Sr)i變化范圍為0.704571~0.705248、εNd(t)值為1.09~3.59、εHf(t)為2.9~5.8。剖面火山巖206Pb/204Pb范圍為18.3241~18.6464,207Pb/204Pb范圍為15.4777~15.5744,208Pb/204Pb范圍為38.0423~38.6119,可見剖面基性、中基性火山巖具有初始Sr弱富集、εNd和εHf較虧損的特征。其中剖面流紋巖與下部基性、中基性火山巖具有相似的εNd(t)、εHf(t)值,指示其可能為同源巖漿演化火山巖系列。由于俯沖洋殼析出流體交代的地幔楔或虧損地??梢允沟蒯T磪^(qū)出現(xiàn)相對弱虧損至弱富集的Nd同位素組成(陳義賢等,1997;邵濟安等,1999),本文認為大興安嶺北部這套具有Sr弱富集、Nd弱富集或虧損的玄武安山巖和粗安巖源于受古生代俯沖流體交代的巖石圈地幔。Pb同位素組成特征指示了源區(qū)具有虧損地幔源區(qū)的特征。同時,火山巖Nd和Hf同位素模式年齡分別為606~912Ma和587~670Ma(表3),反映了巖石圈深部可能不存在老于新元古代的古老地殼基底。大興安嶺北段西側(cè)滿洲里地區(qū)的晚侏羅世火山巖具有亞堿性-堿性過渡性質(zhì)(陳志廣等,2006),全堿(K2O+Na2O)含量為5.52%~8.79%、MgO含量為0.04%~3.80%、Mg#為0.04~0.32、(87Sr/86Sr)i值為0.705078~0.713891、εNd(t)值為-0.7~1.3。微量元素對比發(fā)現(xiàn),根河地區(qū)早白堊世火山巖與滿洲里地區(qū)晚侏羅世火山巖具有相似特征,不同的是其全堿、MgO、Mg#以及εNd(t)具有不同程度的增加,(87Sr/86Sr)i、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb比值有所減小,指示大興安嶺地區(qū)火山巖由西向東隨其時代變新其源區(qū)有所加深,這可能是受蒙古-鄂霍茨克海造山后伸展和古太平洋俯沖雙重作用影響所致。5.2晚新生代火山巖地球化學(xué)背景關(guān)于大興安嶺地區(qū)中生代火山巖形成的構(gòu)造環(huán)境,目前存在很多不同的觀點。有的認為大興安嶺大面積分布的中生代火山巖與古太平洋板塊向中國大陸俯沖作用有關(guān),屬活動大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境(趙國龍等,1989;馬家駿和方大赫,1991);張宏等(1999)認為是一種在俯沖強擠壓后的“減壓”-“剪切”背景下的擠壓環(huán)境;也有一些學(xué)者認為是地幔柱成因(林強等,1998;葛文春等,1999),或是軟流圈上涌與巖石圈伸展構(gòu)造(邵濟安等,1999)。吳福元和曹林(1999)則認為中生代以來東部太平洋板塊的俯沖及若干塊體的拼貼,對火山巖帶形成構(gòu)造環(huán)境有著至關(guān)重要的影響。近年來,更多地學(xué)者把大興安嶺中生代火山巖的成因構(gòu)造與蒙古-鄂霍茨克海閉合,發(fā)生碰撞造山后伸展的環(huán)境相聯(lián)系(Zorin,1999;郭鋒等,2001;Meng,2003;Fanetal.2003;張昱等,2005)。同時對于我國大興安嶺地區(qū)由古亞洲洋構(gòu)造域向濱太平洋構(gòu)造域的轉(zhuǎn)變時代存在不同的觀點,一些學(xué)者認為這種構(gòu)造域的轉(zhuǎn)變是在晚侏羅世開始,到早白堊世已經(jīng)完全進入了濱太平洋構(gòu)造域(趙越等,1994;葛文春等,1999;尹志剛等,2006);而另一些學(xué)者認為古亞洲洋構(gòu)造域向濱西太平洋構(gòu)造域轉(zhuǎn)化不是在短時間完成的,晚三疊世-早白堊世中期為古亞洲洋構(gòu)造域向濱太平洋構(gòu)造域轉(zhuǎn)化階段,到早白堊世晚期開始我國東北地區(qū)才完全進入濱西太平洋構(gòu)造域的演化階段(張炯飛等,2000;李錦軼等,2004)。通過對分布于大興安嶺北段大面積的晚中生代火山巖地球化學(xué)比較研究,本文認為從晚侏羅世到早白堊世,火山巖在主量、微量元素以及同位素上存在一定的差異,所反映的構(gòu)造環(huán)境亦有所不同。大興安嶺北段西側(cè)地區(qū)在晚侏羅世(150~160Ma)受蒙古-鄂霍茨克海造山后伸展和巖石圈減薄作用的影響形成了一套堿性-亞堿性過渡性質(zhì)的火山巖(Fanetal,2003;陳志廣等,2006),而逐級向東為根河地區(qū)的這套早白堊世堿性和堿性-亞堿性過渡系列的火山巖,其主量、微量元素以及同位素地球化學(xué)特征發(fā)生一定改變,說明在早白堊世(140~115Ma)可能由于同時受蒙古-鄂霍茨克海造山后伸展和太平洋俯沖雙重作用影響,即大興安嶺地區(qū)在早白堊早期并沒有完全進入濱太平洋構(gòu)造域。綜合地質(zhì)與地球化學(xué)研究,本文認為大興安嶺地區(qū)晚中生代構(gòu)造環(huán)境,主要表現(xiàn)為巖石圈的伸展、減薄并伴有軟流圈上隆作用。大約140Ma時,被早期俯沖流體交代的巖石圈地幔由于其固相線較低而發(fā)生減壓部分熔融作用出現(xiàn)基性巖漿(Ellam,1992;DelayandDePaolo,1992;McKenzieandBickle,1988;周新華,2006),并噴發(fā)形成玄武質(zhì)粗安巖和粗安巖;大約在125Ma時,基性巖漿在經(jīng)歷了深部巖漿房分異作用后,形成了一套亞堿性-堿性過渡性質(zhì)的粗面巖,主、微量元素及Nd-Hf-Pb同位素特征顯示流紋巖主要為同期巖漿分離結(jié)晶作用的產(chǎn)物;大約在115Ma時,基性巖漿形成了一套堿性的粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗安巖和粗安巖。εNd(t)-1/Nd圖解顯示(圖8),根河地區(qū)火山巖剖面樣品的εNd(t)不隨1/Nd發(fā)生變化,表現(xiàn)出巖漿演化
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