草原石林：東北亞早白堊世花崗巖伸展穹隆和巖漿成礦爆發(fā)的地質(zhì)遺跡及其形成過程

杜 燦，童 英，郭 磊，王 濤，侯賀晟(.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京 0007；2.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 0008；.中國地質(zhì)科學院地球深部探測中心，北京 00096)

地質(zhì)遺跡是在長期地球系統(tǒng)演化過程中，不同地質(zhì)作用下形成的千姿百態(tài)的地質(zhì)剖面、地質(zhì)構(gòu)造、古生物、礦物與礦床、地貌景觀、水體景觀、環(huán)境地質(zhì)遺跡景觀等資源，是寶貴的自然遺產(chǎn)，是探索和研究地球演化歷史的主要內(nèi)容之一，具有獨特的、典型的科學價值。其中，與花崗巖相關(guān)的地質(zhì)遺跡在中國大陸廣泛分布，以地貌景觀遺跡和環(huán)境地質(zhì)遺跡為主，如我國的黃山、九華山、天柱山、華山等旅游勝地，現(xiàn)大多為地質(zhì)公園，發(fā)育各類地質(zhì)遺跡。然而，在東北亞地區(qū)，包括中國北方的內(nèi)蒙古以及蒙古國中南部在內(nèi)，還發(fā)育一種特殊的花崗巖地質(zhì)遺跡，散布于大興安嶺及蒙古草原之上，稱之為草原石林，以著名的錫林浩特阿斯哈圖石林為代表，是具有特殊地質(zhì)科學意義和較高美學觀賞價值的地質(zhì)遺跡[1]。這類石林發(fā)現(xiàn)后被稱之為“阿斯哈圖”地貌[1-2]，并成為克什克騰世界地質(zhì)公園的主要園區(qū)之一。按照《國家地質(zhì)公園規(guī)劃編制技術(shù)要求》，阿斯哈圖石林屬于典型的地貌遺跡大類。

實際上，在位于蒙古草原的二連浩特東北部也發(fā)育類似的寶德爾石林[3]，與阿斯哈圖石林相距數(shù)百公里以上。近期的研究發(fā)現(xiàn)，這類草原花崗巖石林，不僅具有花崗巖地貌遺跡的特點，更重要的是具有表現(xiàn)早白堊世大型伸展構(gòu)造的地質(zhì)構(gòu)造景觀[3]和保留巖漿成礦大爆發(fā)的礦物礦床遺跡特點[4]，普遍發(fā)育不同規(guī)模的錫銀鉛鋅銅金礦床以及螢石礦床，是我國重要的多金屬戰(zhàn)略基地[4]。那么什么是草原石林，這種石林具有什么特點，是如何形成的，兩種石林是否具有相似的地質(zhì)背景值得研究。前人的研究認為阿斯哈圖石林的主體是早白堊世花崗巖[4]，寶德爾石林則是早白堊世花崗巖伸展穹隆的一部分[3,5]。因此，本文從石林花崗巖及相關(guān)穹隆的形成背景——東北亞早白堊世巨量伸展入手，深入揭示石林花崗巖構(gòu)造和形態(tài)的成因，為內(nèi)蒙古等地方政府整合地質(zhì)遺跡資源，整體規(guī)劃建設國家地質(zhì)公園，打造地質(zhì)旅游品牌提供科學支撐。

1 草原石林的概念

草原石林是花崗巖石林的一種，是新發(fā)現(xiàn)的花崗巖地貌類型[2]，形態(tài)上類似云南石林、土林、雅丹地貌和現(xiàn)代冰川上的冰林地貌。野外考察發(fā)現(xiàn)這種石林主要分布在內(nèi)蒙古大興安嶺及以北的蒙古國東部和南部草原戈壁地區(qū)，位于東北亞中生代巨量伸展省的腹心(目前發(fā)現(xiàn)至少有9個大型石林)，如大興安嶺南段的阿斯哈圖石林[1,2]、二連浩特東北部的寶德爾石林[3,5-6]、蒙古東南部的Nartyn石林、Atanshiree石林[7]，以及作者所在項目組新發(fā)現(xiàn)的蒙古中南部Erdenesant-Onjuul石林、納蘭石林、Erdene石林、東烏旗北部和蒙古交界的罕烏拉石林等，數(shù)量眾多。它們在美麗的蒙古大草原上，由無數(shù)的石雕群組成，一根根石柱或一座座石墩分布在平坦而廣闊的草原上。這些石柱或石墩在地表并非一個整體而是像一塊塊狀如餅子的石頭堆疊而成，其間隔只數(shù)米，分布集中，大小錯落有致。

這些石林均由花崗巖體所組成，石林地貌花崗巖分布在平緩山脊上或幾乎沒有起伏的草原地帶，成片出現(xiàn)，連綿幾百米至數(shù)十千米(面積最大的是Nartyne石林和Atanshiree石林，為10～20 km2)，部分長度超過100 km2(如東烏旗罕烏拉石林)，與巖體的出露密切相關(guān)。石林之間相對高一般從數(shù)米到數(shù)百米，在山脊地區(qū)(如大興安嶺南段阿斯哈圖石林)高差較大，草原覆蓋區(qū)則相對較小，但也有較高的石林(如蒙古中部的Erdenesant-Onjuul石林)。石林的底部常相連，上部大部分受垂直節(jié)理或風化作用影響影響被分割成各種形態(tài)，頂部較平緩。

2 草原石林的形成過程分析

草原石林顯而易見的地貌特征是密集發(fā)育的近水平節(jié)理，整體為穹隆形態(tài)[3,7]，部分石林發(fā)育多期垂直的節(jié)理[2]。近期的巖漿巖專題填圖發(fā)現(xiàn)的寶德爾草原石林主要由少量邊部中侏羅世(約160 Ma)和主體早白堊世(140～120 Ma)兩個巖套五個單元的花崗巖所組成[5]，而詳細的構(gòu)造解析則清楚地顯示這些特征的近水平節(jié)理的形成與巖體侵位的流動構(gòu)造和后期伸展抬升密切相關(guān)[3,7]，晚期沿這些構(gòu)造面理的物理風化和化學作用(包括風蝕、冰川以及鹽風化等)造就了不同的形態(tài)[2]。

2.1 草原石林花崗巖穹隆的伸展過程

國內(nèi)外的研究認為組成這些石林的花崗巖是早白堊世東北亞地區(qū)巨量伸展的結(jié)果[6,8]。蒙古國南部的Nartyn石林和Atanshiree石林花崗巖為早白堊世同減薄巖體，巖體邊部的韌性剪切帶和核部近水平的巖漿面理為伸展變形的產(chǎn)物[7]。相似的是中蒙邊境的數(shù)個石林，它們是多個不對稱花崗巖伸展穹隆的重要組成部分。其中，寶德爾石林和納蘭石林是寶德爾-納蘭穹隆的核心，該穹隆由內(nèi)向外由核部多期次早白堊世花崗巖、西北邊緣韌性剪切帶和脆性拆離斷層組成，上盤為不變形侏羅紀花崗閃長巖、泥盆系片巖和早白堊世盆地。剪切帶具有統(tǒng)一向北西的剪切，變形程度由不變形的巖體核部向外側(cè)逐漸增強，面理的形成與巖體的侵位和隆升過程密切相關(guān)，反映了區(qū)域上伸展拆離環(huán)境下侵位的非對稱同構(gòu)造花崗巖穹隆特點。韌性剪切帶底部至頂部糜棱巖石英C軸組構(gòu)，保留了早期高溫變形和晚期中溫-低溫組構(gòu)，表明伸展早期為高溫變形，可能與巖漿同侵位伸展有關(guān)，伸展減薄峰期以中溫和低溫變形為主，反映了剪切帶及巖體伸展抬升至淺部的遞進變形過程[3](圖1)。而罕烏拉石林則位于東烏旗罕烏拉韌性剪切帶的下盤，組成石林的沙麥早白堊世花崗巖邊部也受上盤向北西的伸展變形影響而發(fā)育構(gòu)造面理[9]，核部則發(fā)育與糜棱面理和線理近平行的巖漿流動面理和線理。其他石林如阿斯哈圖石林、Erdene石林等因為剝蝕程度較深，未觀察到邊部韌性剪切帶，但巖體仍發(fā)育近水平的巖漿面理，圍繞巖體發(fā)育后期高角度正斷層，顯示穹隆的構(gòu)造特點。

石林花崗巖主體的形成時代為140～120 Ma[4-5,7,9]，說明這些花崗巖及穹隆構(gòu)造發(fā)育時限與東北亞大陸早白堊世花崗質(zhì)巖漿的活動峰期一致[10]。因此，石林花崗巖形成于東北亞大陸整體的伸展環(huán)境下，其過程從侵位一直持續(xù)到冷卻抬升至脆性域，反映出東北亞大陸顯著的地殼減薄。

圖1 東北亞早白堊世不對稱花崗巖穹隆/同減薄巖體的形成模式Fig.1 Evolution model of Early Cretaceous asymmetric granitic domes and syn-thinning pluton in NE Asia

2.2 草原石林地貌的形成過程

伸展的遞進變形過程形成了石林花崗巖早期的糜棱面理、近水平巖漿面理和后期抬升重力卸載沿巖漿面理發(fā)育的密集節(jié)理[3,7]，受持續(xù)的同伸展巖漿作用上涌導致隆(抬)升到地表之后，大量近水平為主的節(jié)理和更晚期疊加的其他方向節(jié)理，受北國晝夜溫差大導致的石(裂)崩影響，在雨水侵蝕的作用以及第四紀冰川的改造下[2]，把這些抬升到地表的花崗巖體分割不同的巖塊，發(fā)生崩塌、滾落、碎裂，同時狂風卷起的沙塵、碎石對巖石表面的不斷進行雕刻，從而呈現(xiàn)獨特的景觀(圖2)。

圖2 草原花崗巖石林的形成機制Fig.2 Formation mechanism of granitic stone forest in grass land

3 草原石林的地學意義

3.1 對早白堊世東北亞巨量伸展的構(gòu)造指示

草原石林花崗巖形成于東北亞大陸巨量的伸展背景下，是地殼伸展的典型特征之一。目前的研究顯示，石林無一例外，全部屬于某個早白堊世伸展穹隆或同減薄巖體的一部分[3,5-8]。東北亞地區(qū)晚中生代的巨量伸展，與蒙古鄂霍次克構(gòu)造帶的造山后垮塌和古太平洋的弧后擴張相關(guān)[8]，是晚中生代東北亞地區(qū)最顯著的構(gòu)造事件。石林所屬穹隆的構(gòu)造組成、變形樣式以及顯微構(gòu)造等是研究東北亞晚中生代中下地殼流變特征、地殼伸展啟動機制和伸展過程的典型代表，具有重要的構(gòu)造地質(zhì)學意義，可以作為伸展構(gòu)造實習和教學的理想場所。

3.2 對花崗巖填圖和研究的年代學意義

綜合鋯石U-Pb年代學結(jié)果顯示，所有這些發(fā)育石林的花崗巖主體的時代均為140～120 Ma[3,4-7,9](以及項目組未發(fā)表資料)。巖體由黑云母二長花崗巖、鉀長花崗巖等組成，絕大部分為A型花崗巖[4,11]，形成于伸展背景下。近期的巖漿巖專題填圖將“石林”作為早白堊世花崗巖重要的譜系單位進行了命名[5,12]，在東北亞地區(qū)具有廣泛意義，是野外識別早白堊世巖體的一個重要指示標志。

3.3 對草原地貌的意義

大興安嶺和蒙古草原是中國的第二臺階，總體為較平緩的地形特征。眾多大型的石林像千層餅、漢諾塔或千奇百怪的石柱矗立在草原上十分醒目。早白堊世伸展和巖漿作用是形成石林的巖石和構(gòu)造基礎，而外動力是塑造花崗巖石林的關(guān)鍵要素，應是在古冰川、寒凍風化、風和水等外動力綜合作用下才形成這種罕見的石林地貌[2]，獨特的地貌景觀集構(gòu)造地貌、巖漿地貌和氣候等地貌特點于一體，具有重要的地貌學研究意義。

4 結(jié) 語

綜上所述，草原石林是一種奇特的巖石景觀，是花崗巖地貌中的“另類”，不僅具有指示東北亞地區(qū)花崗巖形成時代的特點，而且風化形成的千姿百態(tài)的景色極具觀賞價值，可以作為整個蒙古草原地區(qū)和大興安嶺南段地區(qū)極具特色的地學科普和生態(tài)旅游資源。另外，礦床學的研究也認為形成這些石林的花崗巖與鎢錫鋰鈹?shù)榷嘟饘俚V床[4]和螢石礦床的形成具有直接聯(lián)系，是我國和東北亞地區(qū)潛力極大的金屬成礦基地和戰(zhàn)略資源基地，也是未來發(fā)展研究礦物與礦床類地質(zhì)遺跡的理想場所。