2. 中信建设有限责任公司能源矿产工程部, 北京 100027;
3. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083
2. Department of Energy and Mineral Resources, Citic Construction CO., LTD, Beijing 100027, China;
3. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
0 前言
阿尔金山位于青藏高原东北缘，东接祁连山，西接西昆仑，是我国塔里木盆地和柴达木盆地的分界线。近年来，分布在红柳沟拉配泉蛇绿混杂岩带中的中酸性岩浆岩得到了许多学者的关注，希望通过它们来揭示北阿尔金地区早古生代的构造演化[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]。在北阿金西段，广泛发育480~460 Ma的俯冲型花岗岩[1, 4, 5, 6, 7]，其构造环境为活动大陆边缘(陆缘弧)；而巴什考供盆地南北缘花岗杂岩体[5, 6]、冰沟岩体年龄[2, 10]和蛇绿混杂岩基质变质年龄[1]的报道,将北阿金西段同碰撞后碰撞阶段限定在了450～410 Ma。同时，在北阿尔金地区发现了高压/低温变质带，高压变质岩石的变质历史及顺时针型pTt轨迹和年代学研究表明，这些高压变质岩石的形成与板块俯冲有关[11, 12, 13, 14]，年龄与中酸性侵入岩相近，进一步限定了北阿尔金地区板块俯冲的时限。但是，北阿尔金东段喀腊大湾地区由于道路不便、自然条件恶劣，研究程度较低。本文通过对喀腊大湾地区4337高地北花岗闪长岩岩体的岩石学特征、地球化学特征、锆石SHRIMP U-Pb年龄的研究，讨论岩体的岩石类型、成因及其形成的构造环境，进一步揭示早古生代北阿尔金的构造演化。
1 地质背景阿尔金山可划分为敦煌地块/阿北地块、北阿尔金俯冲杂岩带/红柳沟拉配泉早古生代蛇绿混杂岩带、中阿尔金地块、西南阿尔金俯冲碰撞杂岩带/南阿尔金早古生代蛇绿混杂岩带[15, 16, 17]4个部分，构造单元划分见图1。
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| Ⅰ.阿北地块；Ⅱ. 红柳沟拉配泉早古生代蛇绿混杂岩带；Ⅲ.中阿尔金地块；Ⅳ.西南阿尔金俯冲碰撞杂岩带。 图 1 阿尔金山地区构造单元划分图 Fig. 1 Geological sketch map showing the tectonic units of Altyn Tagh tectonic belt |
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前人对红柳沟拉配泉早古生代蛇绿混杂岩带进行了详尽的研究，认为其不仅仅代表一个板块的缝合带，而且还保留了板块边缘的沟弧盆体系[18]。虽然红柳沟拉配泉早古生代蛇绿混杂岩主要以构造岩块的形式产出，但基本保留了蛇绿岩的完整组合，基质为复理石建造[10, 18]。玄武岩地球化学特征表明,蛇绿岩套包含有E-MORB[19, 20]和洋岛玄武岩[21, 22]的组合，具弧后盆地性质。而对红柳沟一带沉积盆地的岩性、沉积相分析也表明其为局限洋盆(弧后盆地)[10]。红柳沟拉配泉蛇绿混杂岩形成年龄虽有争议，但其形成于晚寒武世早中奥陶世[10, 18, 19, 20, 21, 22]的观点为大家所接受。
喀腊大湾研究区位于北阿尔金地区中东段，为北东向阿尔金断裂与东西向阿尔金北缘断裂所夹持，跨越了阿北地块、红柳沟拉配泉早古生代蛇绿混杂岩带和中阿尔金地块(图1)。其中，阿尔金北缘断裂分隔了阿北地块和红柳沟拉配泉早古生代蛇绿混杂岩带。研究区出露最老的变质基底岩石，即太古宇达格拉格布拉克群(与西段米兰岩群相当)，为一套中、高温麻粒岩岩相变质岩[23]，构成了阿北地块的主体。据文献[24]，在拉配泉麻扎塔格一带花岗片麻岩中发现了该区最古老的锆石，其年龄为(3 605±43) Ma。中元古代地层主要为蓟县系金雁山组，以碳酸盐为主，夹少量碎屑岩，主要出露于金雁山、卓尔布拉克一带，构成了中阿尔金地块的主体。上寒武统斯米尔布拉克组和卓阿布拉克组在研究区分布较广，大多数岩体侵入其中，这两套地层中也包含了与恰什卡萨依蛇绿岩套类似的岩石组合(图2)。
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| 图 2 阿尔金山东段喀腊大湾地区地质特征及样品分布 Fig. 2 Geological structure and sample location in Kaladawan area, eastern part of Altun Mountains |
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前人经过对该地区部分中酸性岩体的测年，将许多原认定的晚古生代岩浆岩修订为早古生代侵入岩，并将整个喀腊大湾地区的中酸性岩浆活动划分为三期，4337高地北花岗闪长岩岩体属于第一期岩浆事件，为碰撞前岩浆活动的产物[9]。
2 岩石学特征该岩体出露于喀腊大湾7910铁矿北4337高地东北一带、喀腊达坂铅锌矿的东北侧。岩体呈长轴状，沿东西向展布，西窄东宽，出露面积为52 km2，并与红柳沟拉配泉蛇绿混杂岩带展布方向平行，侵位于上寒武统卓阿布拉克组中，局部发育片麻状构造。
样品为灰白色花岗闪长岩，中粗粒、等粒状结构，块状构造。主要由石英(15%～20%)、碱性长石(25%～30%)、斜长石(An=25～35，35%～45%)、黑云母(10%～15%)、角闪石(2%～5%)组成;副矿物为榍石、磷灰石和锆石，质量分数小于2%。其中：石英呈他形粒状，局部可见波状消光；碱性长石呈半自形粒状，粒径2.5～4.0 mm居多，少量发育卡斯巴双晶；斜长石呈半自形板状，粒径主要为2.5～4.0 mm，个别可达10.0 mm，部分发育聚片双晶，多发生绢云母化；黑云母为片状，多数发生绿泥石化；角闪石呈自形中粒柱状。野外照片及显微照片见图3。
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| Hbl.角闪石；Pl.斜长石；Kfs.钾长石；Q.石英。 图 3 阿尔金山东段喀腊大湾地区4337高地北花岗闪长岩岩体野外照片(a, b)和显微照片(c, d) Fig. 3 Sample photos (a, b) and microphotograph (c, d) of north Highland 4337 granodiorite in Kaladawan area |
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笔者选取了5件新鲜的未见明显风化蚀变的岩石样品进行地球化学全分析。岩石的主量元素、微量元素和稀土元素分析由中国地质科学院国家地质实验中心完成。主量元素(除FeO)运用X荧光光谱仪(3080E)分析测定，检测下限为0.05%，而FeO采用容量滴定法。微量元素和稀土元素运用等离子质谱(ICP-MS)分析测定，其检测下限为0.05×10-6，部分微量元素检测下限为0.5×10-6。
3.2 元素特征在TAS分类图中，样品点落在花岗闪长岩区域内(图4a)，与野外定名一致。主量元素、微量元素和稀土元素的测试数据见表1。由表1可知：该岩体w(SiO2)为62.74%～70.07%，平均值为66.70%；w(K2O)(2.88%～4.68%)、w(Na2O)(2.82%～4.36%)较高，其里特曼指数σ=1.84~2.71，平均值为2.14，属钙碱性岩石，同时，在w(K2O)-w(SiO2)图(图4b)中，样品大部分落在高钾钙碱性系列中；w(Al2O3)为15.00%～16.01%，平均值为15.37%，铝饱和指数(IAS)为0.83～0.98，平均值为0.91，属准铝质岩石(图4c)；w(Fe2O3)(1.25%～2.41%)、w(FeO)(1.68%～3.55%)、w(MgO)(1.18%～2.56%)较高，w(TiO2)(0.33%～0.61%)、w(P2O5)(0.15%～0.36%)低，Mg#为42.17～46.59。在w(Sr)-w(Yb)图解(图4d)中，岩体总体具有高w(Sr)、低w(Yb)的特征。在哈克图解(图5)上，花岗闪长岩各元素随w(SiO2)变化成线性关系，w(SiO2)与w(TFeO)(w(TFeO)=w(FeO)+0.898w(Fe2O3))、w(CaO)、w(P2O5)、w(TiO2)、w(MgO)呈负相关，与w(Pb)呈正相关，可能是铁镁矿物、铁氧化物和磷灰石等矿物分离的结果。
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| 图 4 4337高地北花岗闪长岩TAS分类图解(a)、w(K2O)-w(SiO2)图解(b)、A/NK-A/CNK图解(c)、w(Sr)-w(Yb)图解(d) Fig. 4 Total alkali vs.w(SiO2) (TAS)(a); w(K2O) vs. w(Si2O)(b); A/NK vs.A/CNK (c); w(Sr) vs.w(Yb)(d) diagrams of northern Highland 4337 granodiorite |
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| 图 5 4337高地北花岗闪长岩哈克图解 Fig. 5 Haker diagrams of northern Highland 4337 granodiorite |
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如表1所示：4337高地北花岗闪长岩岩体稀土总量较高，为(157.23～310.51)×10-6，均值为247.88×10-6；LREE/HREE的值为5.70～7.10，轻重稀土分异较大；δEu值为0.23～0.32。稀土配分曲线图(图6a)上显示左陡右缓式，以及弱的Eu负异常特征；在微量元素蛛网图(图6b)中，该岩体显示出了明显的Nb、Ti的负异常，以及Th的正异常。
一般地，A型花岗岩比I型花岗岩相对地富集高场强元素，比如Zr、Nb、Y、Ga等，可以用高的Ga/Al值来区别A型花岗岩与其他类型的花岗岩[26]。本文选择了w(K2O+Na2O)-10 000Ga/Al、TFeO/MgO-10 000Ga/Al，TFeO/MgO-w(Zr+Nb+Ce+Y)、(K2O+Na2O)/CaO-w(Zr+Nb+Ce+Y)图解来判别4337高地北花岗闪长岩岩体的类型[27]。如图7所示，除了未投点的B1(数据中无Ga的含量)外，其余样品均落在了I型与S型花岗岩的混合区域，故排除该岩体为A型花岗岩的可能。同时，岩体准铝质的特征(图4c)和w(P2O5)、w(Pb)随w(SiO2)的变化趋势(图5)使其与S型花岗岩相区别[28, 29, 30, 31]，结合其在图4b中的特点，认为其岩石类型为高钾钙碱性I型花岗岩。
野外采集的4337高地北花岗闪长岩岩体(B2)样品用常规方法将其粉碎至300 μm，用水淘洗粉尘后，利用磁法和密度法分选出锆石，并在双目镜下挑选出结晶好、无包裹体、无裂隙的锆石单矿物。然后将选出的锆石和标样(TEM)粘在平坦的玻璃板上，并用环氧树脂灌注。制备好的样品靶经过打磨和抛光使锆石新鲜面露出，然后对其拍摄反射光、透射光以及CL阴极发光照片。在北京离子探针中心SHRIMP上测定锆石的U、Th和Pb同位素含量并测定年龄。
如图8a所示，从样品选取的锆石颗粒中等，多为自形晶，晶形为中等柱状，少为短柱状，长130～220 μm，宽70～120 μm，长宽比为2∶1～3∶1。在阴极发光图像(图8a)中，锆石环带清晰，Th/ U值为0.21～0.57，指示其为岩浆成因；同时，部分锆石内部可见继承核。
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| 图 8 4337高地北花岗闪长岩 (B2) 阴极发光图像 (a) 和锆石SHRIMP U-Pb年龄谐和图 (b) Fig. 8 Zircon CL image (a) and zircon SHRIMP U-Pb concordia diagram (b) of northern Highland 4337 granodiorite (B2) |
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本文对B2样品分析了12个锆石颗粒，所得数据见表2。在CL图像上，颗粒12.1边部较黑，表明其受到后期热事件扰动而带入放射性Pb，从而使其年龄变老；颗粒9.1内部存在继承锆石核，分析点可能少量跨在了继承锆石之上，而使年龄结果混和了较老的年龄。因此，这两个颗粒均未参加年龄计算。剩余的10个颗粒的分析数据集中在谐和曲线上成密集的一簇(图8b)，加权平均年龄为(494.4 ± 5.5) Ma，加权平均方差(MSWD)为0.62；这一年龄为4337高地北花岗闪长岩岩体的结晶年龄。
| 测点号 | Th/U | 同位素比值 | 年龄/Ma | ||||||
| 207Pb/206Pb | ±1σ(%) | 207Pb/235U | ±1σ(%) | 206Pb/238U | ±1σ(%) | 206Pb/238U | ±1σ | ||
| 1.1 | 0.33 | 0.058 2 | 4.0 | 0.646 0 | 4.4 | 0.080 5 | 2.0 | 498.8 | 9.7 |
| 2.1 | 0.51 | 0.059 4 | 4.6 | 0.657 0 | 5.0 | 0.080 3 | 1.9 | 496.8 | 9.3 |
| 3.1 | 0.36 | 0.058 1 | 1.6 | 0.635 0 | 2.5 | 0.079 1 | 1.8 | 490.2 | 8.7 |
| 4.1 | 0.40 | 0.059 9 | 1.1 | 0.667 0 | 2.1 | 0.080 7 | 1.8 | 498.9 | 8.6 |
| 5.1 | 0.57 | 0.070 1 | 6.1 | 0.783 0 | 6.4 | 0.080 9 | 1.9 | 494.5 | 9.8 |
| 6.1 | 0.47 | 0.060 3 | 1.9 | 0.647 0 | 2.7 | 0.077 8 | 1.9 | 481.0 | 8.9 |
| 7.1 | 0.42 | 0.062 2 | 1.9 | 0.692 0 | 2.7 | 0.080 7 | 1.9 | 497.0 | 9.1 |
| 8.1 | 0.46 | 0.058 5 | 1.1 | 0.641 0 | 2.1 | 0.079 4 | 1.8 | 491.6 | 8.4 |
| 9.1 | 0.45 | 0.058 1 | 1.5 | 0.648 0 | 2.3 | 0.080 8 | 1.8 | 500.6 | 8.8 |
| 10.1 | 0.43 | 0.060 7 | 1.9 | 0.661 0 | 2.7 | 0.079 0 | 1.9 | 487.8 | 9.1 |
| 11.1 | 0.37 | 0.060 9 | 5.0 | 0.688 0 | 5.4 | 0.081 9 | 1.9 | 505.5 | 9.5 |
| 12.1 | 0.21 | 0.072 9 | 1.8 | 1.125 0 | 2.5 | 0.111 9 | 1.8 | 675.0 | 12.0 |
I型花岗岩是由幔源镁铁质岩浆分异结晶作用形成的或者是下地壳部分熔融形成的。一系列证据表明,4337高地北花岗闪长岩岩体不是由幔源镁铁质岩浆分异结晶作用形成的：1)通过镁铁质岩浆分异作用形成的花岗岩是极少量的[32]，而喀腊大湾地区广泛分布花岗岩而未见大量的镁铁质岩石；2)基性岩浆广泛的分异结晶作用形成的花岗质熔体以富集高场强元素为特点，而样品恰恰相反；3)4337高地北花岗闪长岩岩体Nb/U值为3.20～6.89,平均为5.18，略低于壳源岩石(约为10，据文献[33])而明显有别于幔源岩石(＞15，据文献[33])；同时，4337高地北花岗闪长岩岩体的Nb/Ta值为10.86～18.93，平均为15.49，介于幔源岩石(17.5±2，据文献[34])和陆源岩石(小于11，据文献[34])的范围之间，且更靠近幔源，这可能是由于幔源的基性下地壳二次熔融造成的[35]；4)根据岩体的稀土元素配分曲线(图6a)、微量元素蛛网图(图6b)和w(Sr)-w(Yb)图解(图4d)[36]，并通过与中国东部埃达克岩的对比[37]，表明4337高地北花岗闪长岩岩体可能是加厚的下地壳岩石部分熔融形成的。
在不同条件下不同来源的物质部分熔融会产生不同的花岗岩岩浆，可以用A/MF-C/MF图[38]进行判别。对于4337高地北花岗闪长岩岩体，主量元素(图9)指示其为变玄武质-变英云闪长质火山岩重融形成的，而岩体高w(Sr)低w(Yb)的特点表明熔体残留相中有更多的石榴石以及高的石榴石/角闪石比例。实验岩石学表明，在高压条件下，干的玄武岩或麻粒岩+少量H2O部分熔融产生的熔体是中酸性的，w(K2O)主要取决于源岩K2O所占比例，其残留相是榴辉岩[39]。而下地壳中钾和高钾变质玄武岩在高压条件下部分熔融形成的熔体具有高w(SiO2)、高w(K2O)、高w(Sr)、低w(Yb)的特征[39, 40, 41]，这与4337高地北花岗闪长岩岩体地球化学数据所反映出来的特征相符合。综合上述论据，笔者认为下地壳中钾和高钾变质玄武岩的部分熔融可能是4337高地北花岗闪长岩岩体的形成机理。
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| 图 9 4337高地北花岗闪长岩岩体C/MF-A/MF源区判别图解 Fig. 9 A /MF-C/MF diagram for discriminating the source rocks of northern Highland 4337 granodiorite |
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一般而言，高钾钙碱性I型花岗岩主要形成于两种构造环境：一是类似于安第斯型大陆弧的活动陆缘环境，二是伸展环境[42]。在微量元素蛛网图上，4337高地北花岗闪长岩岩体显示出了Sr、Th的正异常以及Nb的负异常，而在稀土元素配分图上显示出了大离子亲石元素富集而高场强元素亏损的特征，总体反映了消减带的特征而区别于伸展环境。在Pearce等[43]的w(Rb)-w(Yb+Ta)、w(Rb)-w(Y+Nb)、w(Ta)-w(Yb)微量元素构造环境判别图解(图10a、b、c)上,所有的样品点均落在火山弧花岗岩区内；而在Th/Yb-Nb/Yb图解(图10d)上，样品落在了大陆弧的范围内，明显与洋弧区别开来[44]。同时，安第斯型大陆弧是年轻的洋壳以缓角度俯冲在加厚的地壳(＞50 km)之下，板片脱水引发下地壳部分熔融形成的[45]，而岩体高w(K)、高w(Sr)、 低w(Yb)的特征归因于高压条件下加厚下地壳(＞50 km)的部分熔融(见上文)，进一步说明4337高地北花岗闪长岩岩体与太平洋西海岸的安第斯大陆弧岩浆岩相类似，形成于与俯冲有关的活动陆缘(陆缘弧)环境。
韩凤彬[9]在该岩体不同位置获得的SHRIMP U-Pb年龄为506 Ma。本次采取的年龄样通过锆石SHRIMP U-Pb测年获得的年龄为(494.4 ± 5.5)Ma，代表岩体结晶年龄，与前人研究结果相近。4337高地西侧的中酸性杂岩体[9]形成年龄为477～488 Ma，地球化学特征指示其为低钾中钾钙碱性花岗岩，构造环境为活动陆缘(陆缘弧)。它与4337高地北花岗闪长岩岩体构成了完整的闪长岩-石英闪长岩-花岗闪长岩-钾长花岗岩组合，整体为高钾钙碱性，而局部出现低钾中钾钙碱性岩石，与延边东宁地区的花岗岩相类似[46]。同时，在喀拉大湾地区中南部发育一套玄武岩-安山岩-英安岩-流纹英安岩-流纹岩火山岩组合。郝瑞祥等[47]对喀腊大湾中段八八铁矿带以北阿北断裂以南区域的火山岩进行了详细研究，认为其形成于活动大陆边缘环境。李松彬[48]获得的喀腊大湾地区火山岩年龄为510~480 Ma。总体看来，这套火山岩年龄数据与中酸性侵入岩年龄相一致，且具有活动陆缘(陆缘弧)的性质，表明在晚寒武世早中奥陶世喀腊大湾地区发育一条陆缘弧岩浆岩带；这与张占武[8]和郝杰[1]的认识相一致，即中阿金地块在早古生代转化为主动大陆边缘，北阿尔金局限洋盆向南俯冲在中阿尔金地块之下。
5.3 年代学格架在北阿尔金地区发育一条高压/低温变质带，主要由蓝片岩、榴辉岩和多硅白云母片岩组成。其中，多硅白云母片岩形成的温压条件是550 ℃和1.4～2.0 GPa，上限年龄约为570 Ma，又遭受了约479 Ma退变质作用的改造[11, 12]；榴辉岩是在420~570 ℃和2.0~2.5 GPa的高压低温条件下形成的，形成时代为510~440 Ma[13, 14]。二者的顺时针pTt轨迹指示了北阿金局限洋盆洋壳在早古生代发生过俯冲-折返，且俯冲深度达50～80 km[12]。其中，含硬柱石榴辉岩和含纤柱石泥质片岩的存在,说明洋壳在俯冲过程中发生脱水作用并引起部分熔融，形成了北阿尔金地区钙碱性岩浆活动，并将俯冲作用限定在了510~440 Ma[14]。就目前报道的岩浆岩年龄数据而言，测得的年龄值均落在了510~460 Ma的区间内，与高压/低温变质带的年龄相吻合。但是，笔者在观察这一系列年龄数据时，发现北阿尔金地区西段与东段喀腊大湾地区之间还存在一些差异。
北阿尔金地区西段的俯冲型岩浆岩集中在480～460 Ma，其中包括戚学祥等[3]获得的恰什坎萨依花岗闪长岩年龄((481.5±5.3)Ma)、吴才来等[5, 6]获得的巴什考供盆地北石英闪长岩年龄((481.6±5.6)Ma)、巴什考供盆地南巨斑花岗岩年龄((474.3±6.8)Ma)；目前虽未见有同碰撞花岗岩的报道，但是，北阿尔金地区西段蛇绿混杂岩带基质中的绢云母Ar-Ar测年将俯冲结束(碰撞开始)限定在450 Ma左右[1]。而在喀腊大湾地区，俯冲型岩浆岩的时间限定在了517～477 Ma，除了上述讨论的陆缘弧岩浆岩带之外，还包括形成年龄为(517±6)Ma的阿北银铅矿花岗岩岩体[49]和形成年龄为(477.5±3.3)Ma的齐勒萨依岩体[8]；大平沟地区发育与碰撞有关的韧性剪切带型金矿和花岗岩岩体[50, 51]，其成矿年龄(石英包裹体Rb-Sr等时线，(487±21)Ma)[52]和大平沟岩体[9]的结晶年龄((477.1±4.1)Ma)表明喀腊大湾地区至少在480～470 Ma进入了同碰撞阶段，其早于在北阿尔金西段获得的数据(450 Ma[1])。故而，我们认为北阿尔金局限洋盆西段经历了更长时间的俯冲，整体呈东早西晚的剪刀状闭合。
6 结论通过对喀腊大湾地区4337高地北花岗闪长岩岩体的野外调查、岩相学分析、年代学和地球化学综合研究，并与区域上年代相近、成因类似的花岗质岩石进行对比，取得了以下主要认识：
1)4337高地北花岗闪长岩岩体地球化学特征表明其为高钾钙碱性I型花岗岩，可能是下地壳中钾和高钾变质玄武岩部分熔融形成的。
2)4337高地北花岗闪长岩岩体结晶年龄为(494.4 ± 5.5)Ma。结合前人研究，认为喀腊大湾地区在早古生代发育一条活动陆缘(陆缘弧)岩浆岩带；表明北阿尔金局限洋盆在晚寒武世早中奥陶世向南俯冲在中阿尔金地块之下。
3)通过对比北阿尔金东西段报道的中酸性侵入岩年龄数据，认为北阿尔金局限洋盆西段经历了更长时间的俯冲，整体呈东早西晚的剪刀状闭合。
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